La mayoría de los inversores de alta potencia y sus componentes electrónicos asociados están integrados en armarios eléctricos. Los inversores no solo mejoran la eficiencia del sistema, sino que la eficiencia del inversor en sí también es muy alta, con una pérdida de solo del 2% al 4%. Sin embargo, debido a la gran cantidad de conversión de potencia en inversores de alta potencia, incluso si la pérdida de eficiencia es baja, se generará de varios kilovatios a decenas de kilovatios de calor residual, que debe disiparse.
En armarios abiertos refrigerados por aire, es sencillo eliminar este calor. Sin embargo, en entornos hostiles donde no es posible la refrigeración por ventilador filtrado o mediante flujo directo de aire, la gestión térmica de la carcasa se convierte en una parte importante del proceso de diseño. Las estrategias son esenciales para refrigerar de forma eficiente, pasiva y económica los discos de carcasa sellados de potencia media y alta en entornos hostiles.
Los armarios abiertos permiten que el aire ambiente fluya a través del armario, enfriando efectivamente directamente los módulos de alta potencia. Sin embargo, esta refrigeración eficiente puede provocar la entrada de contaminantes externos en la carcasa, que normalmente se minimizan mediante el uso de un sistema de filtrado con ventilador para filtrar el aire que entra en la cabina. Los filtros ayudan a reducir el polvo y los restos, pero requieren mantenimiento regular para limpiar o reemplazar los filtros.
En estos sistemas, los componentes de alta potencia (transistores bipolares de puerta aislada, tiristores conmutados con puerta integrada, rectificadores controlados por silicio) suelen conectarse a una placa fría refrigerada por fluido. El fluido luego rechaza el calor al aire ambiente mediante un sistema de compresión de vapor o mediante un intercambiador de calor líquido-aire. En cualquier caso, el intercambiador de calor de aire ambiente requerido puede situarse dentro o fuera de la instalación. El principal inconveniente de estos sistemas son los retos de introducir fluido en el armario y de instalar y sacar el refrigerante del armario.
Los termosifones de lazo (LTS) son dispositivos de refrigeración bifásicos impulsados por gravedad. Funcionan de forma similar a los heatpipes, donde el fluido de trabajo se evapora y condensa en un circuito cerrado para transferir calor a una distancia determinada. La principal ventaja de los termosifones de lazo frente a los tubos de calor es la capacidad de utilizar un fluido de trabajo conductor, lo que permite una transmisión eficiente y a larga distancia de alta potencia. Los termosifones de lazo no tienen partes móviles y son más fiables que los refrigerantes líquidos activos, la compresión de vapor o los sistemas de refrigeración bifásica bombeados. Los termosidones de lazo son ideales para transferir calor residual de alta potencia desde la electrónica de potencia de un armario al entorno exterior del armario.
Los termosifones de lazo son un método excelente para eliminar grandes cantidades de calor directamente de los componentes que generan mucho calor. Sin embargo, la carga térmica residual de los componentes secundarios aún necesita ser enfriada. Estos componentes secundarios, incluidos muchos dispositivos de baja potencia dispersos por todo el armario, son difíciles de enfriar por contacto directo. Para estos componentes de baja potencia y bajo flujo de calor, la refrigeración directa por aire es el método más práctico. Los componentes de baja potencia pueden enfriarse fácilmente mediante intercambiadores de calor aire-aire manteniendo la integridad del sello de la carcasa.
En la combinación termosifón de lazo e intercambiador de calor sellado, los transistores bipolares de puerta aislados de alta potencia (IGBT) o los tiristores conmutados por comutación de puerta integrados (IGCT) se montan sobre la placa fría del termosifón de lazo, y su carga de 10 kW más la carga térmica se disipan al aire del armario externo a través del termosifón de lazo (véase la Figura 2). Todos los componentes electrónicos secundarios se enfrían mediante un intercambiador de calor aire-aire sellado, que puede eliminar aproximadamente 1 kW de calor residual.
Las bombas de suministro de agua de muchas centrales eléctricas también son bastante potentes. Por ejemplo, una central térmica de 2*300MW tiene una bomba de suministro de agua con una potencia de 5500KW. Con una potencia tan alta, se utilizan tipos de media y alta tensión, como 6KV.
Algunos molinos de bolas también tienen una potencia relativamente alta, como el molino de bolas de 5500×8500 libras, cuya potencia de motor es de 4500 kW.
También hay algunos grandes laminadores con potencia de motor relativamente grande, especialmente equipos de laminación en caliente. Por ejemplo, la potencia del motor de algunos finadores es de 11.000 kilovatios.
Métodos generales de disipación de calor para inversores
Según la estructura actual de los inversores, la disipación de calor puede dividirse generalmente en los siguientes tres tipos: disipación natural de calor, disipación de calor por convección, refrigeración líquida y disipación de calor en el ambiente exterior.
(I) Disipación natural de calor Para inversores de pequeña capacidad, generalmente se utiliza disipación natural de calor. El entorno de uso debe estar bien ventilado y libre de polvo y objetos flotantes. Este tipo de inversor se utiliza principalmente para aires acondicionados domésticos, máquinas herramienta CNC, etc., con muy poca potencia y un entorno de uso relativamente bueno.
(II) Enfriamiento por convección disipa calor
El enfriamiento por convección es un método de enfriamiento comúnmente utilizado, como se muestra en la Figura 2. Con el desarrollo de dispositivos semiconductores, los disipadores de calor de dispositivos semiconductores también se han desarrollado rápidamente, tendiendo a la estandarización, serialización y generalización; mientras que se están desarrollando nuevos productos en dirección a baja resistencia térmica, multifuncional, de tamaño pequeño, ligero y adecuados para la producción e instalación automatizada. Varios fabricantes importantes de disipadores de calor en el mundo tienen miles de series de productos, todas ellas probadas y que proporcionan curvas de consumo de energía y resistencia térmica de disipadores, lo que facilita a los usuarios seleccionarlas con precisión. Al mismo tiempo, el desarrollo de los ventiladores de disipación de calor también es bastante rápido, mostrando características de tamaño pequeño, larga vida útil, bajo ruido, bajo consumo energético, gran volumen de aire y alta protección. Por ejemplo, el inversor de baja potencia, que se usa comúnmente es un ventilador de disipación de calor, mide solo 25 mm×25 mm×10 mm; El ventilador de larga duración del SANYO japonés puede alcanzar las 200000 horas, y el nivel de protección puede alcanzar IPX5; también existe SingapurVentilador de flujo axial de gran volumen de aire LEIPOLE,con un volumen de escape de hasta 5700 m3/h. Estos factores ofrecen a los diseñadores un espacio de selección muy amplio.
La refrigeración por convección se utiliza ampliamente porque los componentes (ventiladores, radiadores) que se emplean son fáciles de elegir, el coste no es demasiado alto y la capacidad del inversor puede oscilar entre decenas y cientos de kVA, o incluso más (usando unidades en paralelo).
(1) Refrigeración con ventilador incorporado del inversor
La refrigeración con ventilador incorporado se utiliza generalmente para inversores de pequeña capacidad y uso general. Al instalar correctamente el inversor, se puede maximizar la capacidad de refrigeración del ventilador incorporado del inversor. El ventilador integrado puede eliminar el calor dentro del inversor. La disipación final de calor se realiza a través de la placa de hierro de la caja inversora. El método de refrigeración que utiliza únicamente el ventilador incorporado del inversor es adecuado para cajas de control con inversores separados y cajas de control con relativamente pocos componentes de control. Si hay varios inversores u otros componentes eléctricos con una disipación de calor relativamente grande en la caja de control del inversor, el efecto de disipación de calor no es muy evidente.
(2) Refrigeración con ventilador externo del inversor
Añadiendo varios ventiladores con función de convección de ventilación en la caja de control donde se instala el inversor, se puede mejorar considerablemente el efecto de disipación de calor del inversor y reducir la temperatura del entorno de trabajo del inversor. La capacidad del ventilador puede calcularse mediante la disipación de calor del inversor. Hablemos del método general de selección: basándonos en la experiencia, calculamos que por cada 1kW de calor generado por el consumo eléctrico, el volumen de escape del ventilador es de 360m³/h, y el consumo de energía del inversor es del 4-5% de su capacidad. Aquí calculamos al 5%, y podemos obtener la relación entre el ventilador adaptado al inversor y su capacidad: Por ejemplo: la potencia del inversor es de 90 kilovatios, entonces: el volumen de extracción del ventilador (m3/h) = capacidad del inversor × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Luego selecciona el modelo de ventilador de diferentes fabricantes según el volumen de extracción para obtener el ventilador que se ajuste a nuestras condiciones. En términos generales, la refrigeración por ventilador es el principal medio de refrigeración por inversor en esta etapa, especialmente adecuado para armarios de control relativamente grandes y cuando los componentes eléctricos del armario de control trabajan y se calientan al mismo tiempo. Es adecuado para armarios de control centralizados altamente integrados y cajas de control. Además, debido al continuo avance tecnológico en los últimos años, los ventiladores de disipación de calor ya no son tan grandes como en años anteriores, y los ventiladores pequeños y potentes están por todas partes. El coste-rendimiento también es mucho mejor que en otros métodos de refrigeración.
En armarios abiertos refrigerados por aire, es sencillo eliminar este calor. Sin embargo, en entornos hostiles donde no es posible la refrigeración por ventilador filtrado o mediante flujo directo de aire, la gestión térmica de la carcasa se convierte en una parte importante del proceso de diseño. Las estrategias son esenciales para refrigerar de forma eficiente, pasiva y económica los discos de carcasa sellados de potencia media y alta en entornos hostiles.
01 Flujo o Sellado
Los armarios abiertos permiten que el aire ambiente fluya a través del armario, enfriando efectivamente directamente los módulos de alta potencia. Sin embargo, esta refrigeración eficiente puede provocar la entrada de contaminantes externos en la carcasa, que normalmente se minimizan mediante el uso de un sistema de filtrado con ventilador para filtrar el aire que entra en la cabina. Los filtros ayudan a reducir el polvo y los restos, pero requieren mantenimiento regular para limpiar o reemplazar los filtros.
En estos sistemas, los componentes de alta potencia (transistores bipolares de puerta aislada, tiristores conmutados con puerta integrada, rectificadores controlados por silicio) suelen conectarse a una placa fría refrigerada por fluido. El fluido luego rechaza el calor al aire ambiente mediante un sistema de compresión de vapor o mediante un intercambiador de calor líquido-aire. En cualquier caso, el intercambiador de calor de aire ambiente requerido puede situarse dentro o fuera de la instalación. El principal inconveniente de estos sistemas son los retos de introducir fluido en el armario y de instalar y sacar el refrigerante del armario.
Termosifones de lazo 02
Los termosifones de lazo (LTS) son dispositivos de refrigeración bifásicos impulsados por gravedad. Funcionan de forma similar a los heatpipes, donde el fluido de trabajo se evapora y condensa en un circuito cerrado para transferir calor a una distancia determinada. La principal ventaja de los termosifones de lazo frente a los tubos de calor es la capacidad de utilizar un fluido de trabajo conductor, lo que permite una transmisión eficiente y a larga distancia de alta potencia. Los termosifones de lazo no tienen partes móviles y son más fiables que los refrigerantes líquidos activos, la compresión de vapor o los sistemas de refrigeración bifásica bombeados. Los termosidones de lazo son ideales para transferir calor residual de alta potencia desde la electrónica de potencia de un armario al entorno exterior del armario.
03 Intercambiadores de calor de carcasa sellada
Los termosifones de lazo son un método excelente para eliminar grandes cantidades de calor directamente de los componentes que generan mucho calor. Sin embargo, la carga térmica residual de los componentes secundarios aún necesita ser enfriada. Estos componentes secundarios, incluidos muchos dispositivos de baja potencia dispersos por todo el armario, son difíciles de enfriar por contacto directo. Para estos componentes de baja potencia y bajo flujo de calor, la refrigeración directa por aire es el método más práctico. Los componentes de baja potencia pueden enfriarse fácilmente mediante intercambiadores de calor aire-aire manteniendo la integridad del sello de la carcasa.
En la combinación termosifón de lazo e intercambiador de calor sellado, los transistores bipolares de puerta aislados de alta potencia (IGBT) o los tiristores conmutados por comutación de puerta integrados (IGCT) se montan sobre la placa fría del termosifón de lazo, y su carga de 10 kW más la carga térmica se disipan al aire del armario externo a través del termosifón de lazo (véase la Figura 2). Todos los componentes electrónicos secundarios se enfrían mediante un intercambiador de calor aire-aire sellado, que puede eliminar aproximadamente 1 kW de calor residual.
Las bombas de suministro de agua de muchas centrales eléctricas también son bastante potentes. Por ejemplo, una central térmica de 2*300MW tiene una bomba de suministro de agua con una potencia de 5500KW. Con una potencia tan alta, se utilizan tipos de media y alta tensión, como 6KV.
Algunos molinos de bolas también tienen una potencia relativamente alta, como el molino de bolas de 5500×8500 libras, cuya potencia de motor es de 4500 kW.
También hay algunos grandes laminadores con potencia de motor relativamente grande, especialmente equipos de laminación en caliente. Por ejemplo, la potencia del motor de algunos finadores es de 11.000 kilovatios.
Métodos generales de disipación de calor para inversores
Según la estructura actual de los inversores, la disipación de calor puede dividirse generalmente en los siguientes tres tipos: disipación natural de calor, disipación de calor por convección, refrigeración líquida y disipación de calor en el ambiente exterior.
(I) Disipación natural de calor Para inversores de pequeña capacidad, generalmente se utiliza disipación natural de calor. El entorno de uso debe estar bien ventilado y libre de polvo y objetos flotantes. Este tipo de inversor se utiliza principalmente para aires acondicionados domésticos, máquinas herramienta CNC, etc., con muy poca potencia y un entorno de uso relativamente bueno.
(II) Enfriamiento por convección disipa calor
El enfriamiento por convección es un método de enfriamiento comúnmente utilizado, como se muestra en la Figura 2. Con el desarrollo de dispositivos semiconductores, los disipadores de calor de dispositivos semiconductores también se han desarrollado rápidamente, tendiendo a la estandarización, serialización y generalización; mientras que se están desarrollando nuevos productos en dirección a baja resistencia térmica, multifuncional, de tamaño pequeño, ligero y adecuados para la producción e instalación automatizada. Varios fabricantes importantes de disipadores de calor en el mundo tienen miles de series de productos, todas ellas probadas y que proporcionan curvas de consumo de energía y resistencia térmica de disipadores, lo que facilita a los usuarios seleccionarlas con precisión. Al mismo tiempo, el desarrollo de los ventiladores de disipación de calor también es bastante rápido, mostrando características de tamaño pequeño, larga vida útil, bajo ruido, bajo consumo energético, gran volumen de aire y alta protección. Por ejemplo, el inversor de baja potencia, que se usa comúnmente es un ventilador de disipación de calor, mide solo 25 mm×25 mm×10 mm; El ventilador de larga duración del SANYO japonés puede alcanzar las 200000 horas, y el nivel de protección puede alcanzar IPX5; también existe SingapurVentilador de flujo axial de gran volumen de aire LEIPOLE,con un volumen de escape de hasta 5700 m3/h. Estos factores ofrecen a los diseñadores un espacio de selección muy amplio.
La refrigeración por convección se utiliza ampliamente porque los componentes (ventiladores, radiadores) que se emplean son fáciles de elegir, el coste no es demasiado alto y la capacidad del inversor puede oscilar entre decenas y cientos de kVA, o incluso más (usando unidades en paralelo).
(1) Refrigeración con ventilador incorporado del inversor
La refrigeración con ventilador incorporado se utiliza generalmente para inversores de pequeña capacidad y uso general. Al instalar correctamente el inversor, se puede maximizar la capacidad de refrigeración del ventilador incorporado del inversor. El ventilador integrado puede eliminar el calor dentro del inversor. La disipación final de calor se realiza a través de la placa de hierro de la caja inversora. El método de refrigeración que utiliza únicamente el ventilador incorporado del inversor es adecuado para cajas de control con inversores separados y cajas de control con relativamente pocos componentes de control. Si hay varios inversores u otros componentes eléctricos con una disipación de calor relativamente grande en la caja de control del inversor, el efecto de disipación de calor no es muy evidente.
(2) Refrigeración con ventilador externo del inversor
Añadiendo varios ventiladores con función de convección de ventilación en la caja de control donde se instala el inversor, se puede mejorar considerablemente el efecto de disipación de calor del inversor y reducir la temperatura del entorno de trabajo del inversor. La capacidad del ventilador puede calcularse mediante la disipación de calor del inversor. Hablemos del método general de selección: basándonos en la experiencia, calculamos que por cada 1kW de calor generado por el consumo eléctrico, el volumen de escape del ventilador es de 360m³/h, y el consumo de energía del inversor es del 4-5% de su capacidad. Aquí calculamos al 5%, y podemos obtener la relación entre el ventilador adaptado al inversor y su capacidad: Por ejemplo: la potencia del inversor es de 90 kilovatios, entonces: el volumen de extracción del ventilador (m3/h) = capacidad del inversor × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Luego selecciona el modelo de ventilador de diferentes fabricantes según el volumen de extracción para obtener el ventilador que se ajuste a nuestras condiciones. En términos generales, la refrigeración por ventilador es el principal medio de refrigeración por inversor en esta etapa, especialmente adecuado para armarios de control relativamente grandes y cuando los componentes eléctricos del armario de control trabajan y se calientan al mismo tiempo. Es adecuado para armarios de control centralizados altamente integrados y cajas de control. Además, debido al continuo avance tecnológico en los últimos años, los ventiladores de disipación de calor ya no son tan grandes como en años anteriores, y los ventiladores pequeños y potentes están por todas partes. El coste-rendimiento también es mucho mejor que en otros métodos de refrigeración.