Большинство мощных инверторов и связанных с ними электронных компонентов интегрированы в электрические шкафы. Инверторы не только повышают эффективность системы, но и КПД самого инвертора также очень высок, с потерями всего от 2% до 4%. Однако из-за большого объёма преобразования мощности в мощных инверторах, даже при низких потерях эффективности, это приводит к выделению от нескольких киловатт до десятков киловатт отработанного тепла, которое необходимо рассеивать.
В открытых шкафах с воздушным охлаждением это тепло легко удалить. Однако в суровых условиях, где невозможно охлаждение с фильтрованным вентилятором или охлаждение прямым потоком воздуха, управление температурой корпуса становится важной частью процесса проектирования. Для эффективного, пассивного и экономичного охлаждения герметичных шкафов со средними и высокими мощностями в суровых условиях необходимы специальные стратегии.
Шкафы с открытым воздушным потоком позволяют окружающему воздуху проходить через шкаф, эффективно охлаждая мощные модули напрямую. Однако такое эффективное охлаждение может привести к попаданию внешних загрязнений в корпус, которые обычно минимизируются с помощью системы фильтров вентилятора, фильтрующих воздух, поступающий в шкаф. Фильтры помогают уменьшить количество пыли и мусора, но требуют регулярного обслуживания для очистки или замены.
В таких системах мощные компоненты (биполярные транзисторы с изолированным затвором, интегрированные тиристоры с коммутацией по затвору, кремниевые управляемые выпрямители) обычно подключаются к жидкостно-охлаждаемой холодной плите. Затем жидкость отводит тепло в окружающий воздух с помощью парокомпрессионной системы или через теплообменник жидкость-воздух. В любом случае требуемый теплообменник для окружающего воздуха может быть расположен внутри или снаружи объекта. Основным недостатком этих систем является сложность введения жидкости в шкаф и прокладки трубопроводов для охлаждающей жидкости внутрь и наружу шкафа.
Контурные термосифоны (LTS) — это двухфазные охлаждающие устройства, работающие под действием силы тяжести. Они работают аналогично тепловым трубкам, где рабочая жидкость испаряется и конденсируется в замкнутом контуре для передачи тепла на заданное расстояние. Основное преимущество контурных термосифонов перед тепловыми трубками — возможность использования электропроводной рабочей жидкости, что позволяет эффективно передавать большую мощность на большие расстояния. Контурные термосифоны не имеют движущихся частей и более надежны, чем активные жидкостные охладители, парокомпрессионные или насосные двухфазные системы охлаждения. Контурные термосифоны идеально подходят для передачи большого количества отработанного тепла от силовой электроники в шкафу во внешнюю среду за пределами шкафа.
Контурные термосифоны — отличный метод для отвода больших количеств тепла непосредственно от компонентов с высоким тепловыделением. Однако отработанное тепло от вторичных компонентов все еще необходимо охлаждать. Эти вторичные компоненты, включая множество маломощных устройств, распределенных по всему шкафу, трудно охлаждать прямым контактом. Для этих маломощных компонентов с низким тепловым потоком наиболее практичным методом является прямое воздушное охлаждение. Маломощные компоненты можно легко охлаждать с помощью теплообменников воздух-воздух, сохраняя при этом герметичность корпуса.
В комбинации контурного термосифона и герметичного теплообменника мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или интегрированные тиристоры с коммутацией по затвору (IGCT) устанавливаются на холодной плите контурного термосифона, и их нагрузка 10 кВт плюс тепловая нагрузка рассеивается во внешний воздух шкафа через контурный термосифон (см. рисунок 2). Все вторичные электронные компоненты охлаждаются герметичным теплообменником воздух-воздух, который может отводить около 1 кВт отработанного тепла.
Насосы питательной воды многих электростанций также довольно мощные. Например, на тепловой электростанции мощностью 2*300 МВт насос питательной воды имеет мощность 5500 кВт. При такой большой мощности используются средние и высокие напряжения, например 6 кВ.
Некоторые шаровые мельницы также имеют относительно большую мощность, например шаровая мельница Ф5500×8500, мощность двигателя которой составляет 4500 кВт.
Существуют также некоторые крупные прокатные станы с относительно большой мощностью двигателей, особенно оборудование для горячей прокатки. Например, мощность двигателя некоторых чистовых клетей составляет 11 000 киловатт.
Общие методы рассеивания тепла для инверторов
Исходя из текущей конструкции инверторов, рассеивание тепла обычно можно разделить на следующие три типа: естественное рассеивание тепла, конвекционное рассеивание тепла, жидкостное охлаждение и рассеивание тепла во внешнюю среду.
(I) Естественное рассеивание тепла Для инверторов малой мощности обычно используется естественное рассеивание тепла. Условия эксплуатации должны быть хорошо вентилируемыми и без пыли и плавающих предметов. Такие инверторы в основном используются в бытовых кондиционерах, станках с ЧПУ и т. д., с очень низкой мощностью и относительно хорошими условиями эксплуатации.
(II) Конвекционное охлаждение рассеивает тепло
Конвекционное охлаждение — это широко используемый метод охлаждения, как показано на рисунке 2. С развитием полупроводниковых приборов радиаторы для полупроводниковых приборов также быстро развиваются, стремясь к стандартизации, серийности и универсализации; в то время как новые продукты развиваются в направлении низкого теплового сопротивления, многофункциональности, малых размеров, легкого веса и пригодности для автоматизированного производства и установки. Несколько крупных производителей радиаторов в мире имеют тысячи серий продуктов, все из которых прошли испытания и предоставляют кривые зависимости мощности и теплового сопротивления радиатора, что обеспечивает удобство для пользователей при точном выборе. В то же время развитие вентиляторов для рассеивания тепла также идет довольно быстро, демонстрируя характеристики малых размеров, длительного срока службы, низкого уровня шума, низкого энергопотребления, большого объема воздуха и высокой степени защиты. Например, обычно используемый вентилятор для рассеивания тепла инвертора малой мощности имеет размер всего 25 мм × 25 мм × 10 мм; долговечный вентилятор японской компании SANYO может достигать 200 000 часов, а степень защиты может достигать IPX5; также существует сингапурскийосевой вентилятор LEIPOLE с большим объемом воздуха,с объемом выхлопа до 5700 м3/ч. Эти факторы предоставляют разработчикам очень широкое пространство для выбора.
Конвекционное охлаждение широко используется, потому что используемые компоненты (вентиляторы, радиаторы) легко выбрать, стоимость не слишком высока, а мощность инвертора может составлять от десятков до сотен кВА или даже выше (при использовании параллельных блоков).
(1) Охлаждение с помощью встроенного вентилятора инвертора
Охлаждение с помощью встроенного вентилятора обычно используется для маломощных инверторов общего назначения. При правильной установке инвертора можно максимально увеличить охлаждающую способность встроенного вентилятора инвертора. Встроенный вентилятор может отводить тепло изнутри инвертора. Окончательное рассеивание тепла осуществляется через железную пластину корпуса инвертора. Метод охлаждения с использованием только встроенного вентилятора инвертора подходит для шкафов управления с отдельными инверторами и шкафов управления с относительно небольшим количеством компонентов управления. Если в шкафу управления инвертором имеется несколько инверторов или других электрических компонентов с относительно большим тепловыделением, эффект рассеивания тепла не очень заметен.
(2) Охлаждение с помощью внешнего вентилятора инвертора
Добавив несколько вентиляторов с функцией вентиляции и конвекции в шкаф управления, где установлен инвертор, можно значительно улучшить эффект рассеивания тепла инвертора и снизить температуру рабочей среды инвертора. Производительность вентилятора можно рассчитать по тепловыделению инвертора. Поговорим об общем методе выбора: Исходя из опыта, мы рассчитали, что на каждый 1 кВт тепла, выделяемого при потреблении электроэнергии, объем выхлопа вентилятора составляет 360 м³/ч, а потребляемая мощность инвертора составляет 4-5% от его мощности. Здесь мы рассчитываем при 5%, и мы можем получить соотношение между вентилятором, подходящим для инвертора, и его мощностью: Например: мощность инвертора составляет 90 киловатт, тогда: объем выхлопа вентилятора (м3/ч) = мощность инвертора × 5% × 360 м³/ч/кВт = 1620 м³/ч
Затем выберите модель вентилятора разных производителей в соответствии с объемом выхлопа вентилятора, чтобы получить вентилятор, удовлетворяющий нашим условиям. Вообще говоря, вентиляторное охлаждение является основным средством охлаждения инвертора на данном этапе, особенно подходит для относительно больших шкафов управления, а также когда электрические компоненты в шкафу управления работают и нагреваются одновременно. Он подходит для высокоинтегрированных централизованных шкафов управления и контрольных ящиков. Кроме того, благодаря постоянному развитию технологий в последние годы, вентиляторы охлаждения больше не такие громоздкие, как в прежние годы, и компактные мощные вентиляторы встречаются повсюду. Соотношение цены и качества также намного лучше, чем у других методов охлаждения.
В открытых шкафах с воздушным охлаждением это тепло легко удалить. Однако в суровых условиях, где невозможно охлаждение с фильтрованным вентилятором или охлаждение прямым потоком воздуха, управление температурой корпуса становится важной частью процесса проектирования. Для эффективного, пассивного и экономичного охлаждения герметичных шкафов со средними и высокими мощностями в суровых условиях необходимы специальные стратегии.
01 Открытый или герметичный
Шкафы с открытым воздушным потоком позволяют окружающему воздуху проходить через шкаф, эффективно охлаждая мощные модули напрямую. Однако такое эффективное охлаждение может привести к попаданию внешних загрязнений в корпус, которые обычно минимизируются с помощью системы фильтров вентилятора, фильтрующих воздух, поступающий в шкаф. Фильтры помогают уменьшить количество пыли и мусора, но требуют регулярного обслуживания для очистки или замены.
В таких системах мощные компоненты (биполярные транзисторы с изолированным затвором, интегрированные тиристоры с коммутацией по затвору, кремниевые управляемые выпрямители) обычно подключаются к жидкостно-охлаждаемой холодной плите. Затем жидкость отводит тепло в окружающий воздух с помощью парокомпрессионной системы или через теплообменник жидкость-воздух. В любом случае требуемый теплообменник для окружающего воздуха может быть расположен внутри или снаружи объекта. Основным недостатком этих систем является сложность введения жидкости в шкаф и прокладки трубопроводов для охлаждающей жидкости внутрь и наружу шкафа.
02 Контурные термосифоны
Контурные термосифоны (LTS) — это двухфазные охлаждающие устройства, работающие под действием силы тяжести. Они работают аналогично тепловым трубкам, где рабочая жидкость испаряется и конденсируется в замкнутом контуре для передачи тепла на заданное расстояние. Основное преимущество контурных термосифонов перед тепловыми трубками — возможность использования электропроводной рабочей жидкости, что позволяет эффективно передавать большую мощность на большие расстояния. Контурные термосифоны не имеют движущихся частей и более надежны, чем активные жидкостные охладители, парокомпрессионные или насосные двухфазные системы охлаждения. Контурные термосифоны идеально подходят для передачи большого количества отработанного тепла от силовой электроники в шкафу во внешнюю среду за пределами шкафа.
03 Теплообменники для герметичных корпусов
Контурные термосифоны — отличный метод для отвода больших количеств тепла непосредственно от компонентов с высоким тепловыделением. Однако отработанное тепло от вторичных компонентов все еще необходимо охлаждать. Эти вторичные компоненты, включая множество маломощных устройств, распределенных по всему шкафу, трудно охлаждать прямым контактом. Для этих маломощных компонентов с низким тепловым потоком наиболее практичным методом является прямое воздушное охлаждение. Маломощные компоненты можно легко охлаждать с помощью теплообменников воздух-воздух, сохраняя при этом герметичность корпуса.
В комбинации контурного термосифона и герметичного теплообменника мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или интегрированные тиристоры с коммутацией по затвору (IGCT) устанавливаются на холодной плите контурного термосифона, и их нагрузка 10 кВт плюс тепловая нагрузка рассеивается во внешний воздух шкафа через контурный термосифон (см. рисунок 2). Все вторичные электронные компоненты охлаждаются герметичным теплообменником воздух-воздух, который может отводить около 1 кВт отработанного тепла.
Насосы питательной воды многих электростанций также довольно мощные. Например, на тепловой электростанции мощностью 2*300 МВт насос питательной воды имеет мощность 5500 кВт. При такой большой мощности используются средние и высокие напряжения, например 6 кВ.
Некоторые шаровые мельницы также имеют относительно большую мощность, например шаровая мельница Ф5500×8500, мощность двигателя которой составляет 4500 кВт.
Существуют также некоторые крупные прокатные станы с относительно большой мощностью двигателей, особенно оборудование для горячей прокатки. Например, мощность двигателя некоторых чистовых клетей составляет 11 000 киловатт.
Общие методы рассеивания тепла для инверторов
Исходя из текущей конструкции инверторов, рассеивание тепла обычно можно разделить на следующие три типа: естественное рассеивание тепла, конвекционное рассеивание тепла, жидкостное охлаждение и рассеивание тепла во внешнюю среду.
(I) Естественное рассеивание тепла Для инверторов малой мощности обычно используется естественное рассеивание тепла. Условия эксплуатации должны быть хорошо вентилируемыми и без пыли и плавающих предметов. Такие инверторы в основном используются в бытовых кондиционерах, станках с ЧПУ и т. д., с очень низкой мощностью и относительно хорошими условиями эксплуатации.
(II) Конвекционное охлаждение рассеивает тепло
Конвекционное охлаждение — это широко используемый метод охлаждения, как показано на рисунке 2. С развитием полупроводниковых приборов радиаторы для полупроводниковых приборов также быстро развиваются, стремясь к стандартизации, серийности и универсализации; в то время как новые продукты развиваются в направлении низкого теплового сопротивления, многофункциональности, малых размеров, легкого веса и пригодности для автоматизированного производства и установки. Несколько крупных производителей радиаторов в мире имеют тысячи серий продуктов, все из которых прошли испытания и предоставляют кривые зависимости мощности и теплового сопротивления радиатора, что обеспечивает удобство для пользователей при точном выборе. В то же время развитие вентиляторов для рассеивания тепла также идет довольно быстро, демонстрируя характеристики малых размеров, длительного срока службы, низкого уровня шума, низкого энергопотребления, большого объема воздуха и высокой степени защиты. Например, обычно используемый вентилятор для рассеивания тепла инвертора малой мощности имеет размер всего 25 мм × 25 мм × 10 мм; долговечный вентилятор японской компании SANYO может достигать 200 000 часов, а степень защиты может достигать IPX5; также существует сингапурскийосевой вентилятор LEIPOLE с большим объемом воздуха,с объемом выхлопа до 5700 м3/ч. Эти факторы предоставляют разработчикам очень широкое пространство для выбора.
Конвекционное охлаждение широко используется, потому что используемые компоненты (вентиляторы, радиаторы) легко выбрать, стоимость не слишком высока, а мощность инвертора может составлять от десятков до сотен кВА или даже выше (при использовании параллельных блоков).
(1) Охлаждение с помощью встроенного вентилятора инвертора
Охлаждение с помощью встроенного вентилятора обычно используется для маломощных инверторов общего назначения. При правильной установке инвертора можно максимально увеличить охлаждающую способность встроенного вентилятора инвертора. Встроенный вентилятор может отводить тепло изнутри инвертора. Окончательное рассеивание тепла осуществляется через железную пластину корпуса инвертора. Метод охлаждения с использованием только встроенного вентилятора инвертора подходит для шкафов управления с отдельными инверторами и шкафов управления с относительно небольшим количеством компонентов управления. Если в шкафу управления инвертором имеется несколько инверторов или других электрических компонентов с относительно большим тепловыделением, эффект рассеивания тепла не очень заметен.
(2) Охлаждение с помощью внешнего вентилятора инвертора
Добавив несколько вентиляторов с функцией вентиляции и конвекции в шкаф управления, где установлен инвертор, можно значительно улучшить эффект рассеивания тепла инвертора и снизить температуру рабочей среды инвертора. Производительность вентилятора можно рассчитать по тепловыделению инвертора. Поговорим об общем методе выбора: Исходя из опыта, мы рассчитали, что на каждый 1 кВт тепла, выделяемого при потреблении электроэнергии, объем выхлопа вентилятора составляет 360 м³/ч, а потребляемая мощность инвертора составляет 4-5% от его мощности. Здесь мы рассчитываем при 5%, и мы можем получить соотношение между вентилятором, подходящим для инвертора, и его мощностью: Например: мощность инвертора составляет 90 киловатт, тогда: объем выхлопа вентилятора (м3/ч) = мощность инвертора × 5% × 360 м³/ч/кВт = 1620 м³/ч
Затем выберите модель вентилятора разных производителей в соответствии с объемом выхлопа вентилятора, чтобы получить вентилятор, удовлетворяющий нашим условиям. Вообще говоря, вентиляторное охлаждение является основным средством охлаждения инвертора на данном этапе, особенно подходит для относительно больших шкафов управления, а также когда электрические компоненты в шкафу управления работают и нагреваются одновременно. Он подходит для высокоинтегрированных централизованных шкафов управления и контрольных ящиков. Кроме того, благодаря постоянному развитию технологий в последние годы, вентиляторы охлаждения больше не такие громоздкие, как в прежние годы, и компактные мощные вентиляторы встречаются повсюду. Соотношение цены и качества также намного лучше, чем у других методов охлаждения.