Kühlmöglichkeiten für Hochleistungs-Frequenzumrichter
Frequenzumrichter liefern Strom und Steuerung für gewerbliche und industrielle Motoren und müssen entsprechend ihrer Konstruktion und Anwendungsumgebung thermisch geschützt werden. Die Hauptvorteile des Frequenzumrichters sind die flexible Steuerung, die stabile Start- und Abschaltleistung sowie die erhebliche Energieeinsparung durch Radialventilatoren und Pumpen, die unter variabler Last arbeiten.
Der Wirkungsgrad der meisten Frequenzumrichter und ihres Zubehörs wird nicht nur um 4 Prozent gesteigert, sondern auch im elektronischen System um 2 Prozent. Aufgrund der großen Leistungsumwandlung in Hochleistungsfrequenzumrichtern kommt es jedoch selbst bei geringem Wirkungsgradverlust zur Erzeugung von Abwärme von mehreren Kilowatt bis zu mehreren zehn Kilowatt. Wir müssen versuchen, diese Wärme abzuleiten.
1. Geöffnet oder versiegelt:
In einem offenen, luftgekühlten Schrank lässt sich diese Wärme leicht abführen. In der rauen Umgebung ist es jedoch unmöglich, eine Filterlüfterkühlung oder einen direkten Luftstrom zum Kühlen zu verwenden, und das Wärmemanagement des Gehäuses ist zu einem wichtigen Bestandteil des Designprozesses geworden. Die Forschungsstrategie ist sehr wichtig für den Frequenzumrichter, der das versiegelte Gehäuse mittlerer und hoher Leistung in der rauen Umgebung effizient, passiv und wirtschaftlich kühlt.
Der offene Luftstromschrank kann die Umgebungsluft durch den Schrank zirkulieren lassen und das Hochleistungsmodul direkt und effektiv kühlen. Das versiegelte Gehäuse lässt keine Außenluft in den Schrank eindringen, sondern nutzt die Luft im Schrank, um die elektronischen Produkte zu kühlen und die Wärme über den Wärmetauscher an die Umgebungsluft abzugeben. Beide Schränke sind für Systeme mit geringer Leistung geeignet. Bei vielen Hochleistungs-Wechselrichterschränken ist der Stromverbrauch jedoch höher als bei Luftkühlung. Komponenten mit geringer Leistung werden im Allgemeinen direkt durch den Luftstrom gekühlt, während Komponenten mit höherer Leistung direkt oder indirekt durch Anlagenkühlwasser, Dampfkompressionssystem oder Pumpflüssigkeitssystem gekühlt werden.
2. Thermosiphonkühlung:
Loop Thermosiphon (LTS) ist ein schwerkraftbetriebenes zweiphasiges Kühlgerät. Ihre Arbeitsweise ähnelt der von Heatpipes. Solange das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf verdampft und kondensiert, kann es innerhalb einer bestimmten Distanz Wärme übertragen. Im Vergleich zu Wärmerohren besteht der Hauptvorteil des Schleifen-Thermosiphons darin, dass er leitfähige Arbeitsflüssigkeiten verwenden und hohe Leistungen effizient und fernübertragen kann. Verglichen mit dem aktiven flüssigen Kühlmittel, der Dampfkompression oder dem gepumpten Zweiphasenkühlsystem hat der Schleifen-Thermosiphon keine beweglichen Teile und weist eine höhere Zuverlässigkeit auf. Der Schleifen-Thermosiphon eignet sich sehr gut zur Übertragung leistungsstarker Abwärme von den leistungselektronischen Geräten im Schrank an die Außenumgebung des Schranks.
3. Wärmetauscher mit versiegelter Schale:
In der Kombination aus Schleifen-Thermosiphon und abgedichtetem Wärmetauscher ist auf der Kühlplatte des Schleifen-Thermosyphons ein Hochleistungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein integrierter Gate-kommutierter Thyristor (IGCT) installiert. Seine 10-kW-Last plus Wärmelast wird über einen Schleifen-Thermosiphon an die Luft des Außenschranks abgeleitet. Alle sekundären elektronischen Komponenten werden durch einen abgedichteten Gas-Gas-Wärmetauscher gekühlt, der eine Abwärme von etwa 1 kW abgeben kann. Der geschlossene Gehäusekühler kann die von den stromsparenden und verteilten Komponenten im Leistungselektronikschrank erzeugte Wärme abführen und verhindern, dass die Schadstoffe in der Außenluft mit diesen Komponenten interagieren. Durch die Kombination der beiden Kühllösungen kann die Hochleistungsmotorsteuerung im abgedichteten Gehäuse, das für die raue Arbeitsumgebung erforderlich ist, zuverlässig gekühlt werden.
4. Flüssigkeitskühlung:
Flüssigkeitskühlung ist eine gängige Methode der industriellen Flüssigkeitskühlung. Bei der Ausrüstung von Frequenzumrichtern wird diese Methode wegen der hohen Kosten und des großen Volumens bei Verwendung in Frequenzumrichtern mit kleiner Kapazität selten zur Wärmeableitung eingesetzt. Da die Kapazität allgemeiner Frequenzumrichter zwischen einigen KVA und fast 100 KVA liegt und die Kapazität nicht sehr groß ist, ist es außerdem schwierig, das Preis-Leistungs-Verhältnis für Benutzer akzeptabel zu gestalten. Diese Methode kommt nur in besonderen Fällen zum Einsatz) und Frequenzumrichter mit besonders großer Leistung.
Unabhängig davon, welche thermische Lösung gewählt wird, muss der Stromverbrauch entsprechend der Kapazität des Frequenzumrichters bestimmt und geeignete Lüfter und Kühler ausgewählt werden, um ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen. Gleichzeitig müssen die vom Frequenzumrichter genutzten Umgebungsfaktoren vollständig berücksichtigt werden. Angesichts der rauen Umgebung müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um den normalen und zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters sicherzustellen. Aus Sicht des Frequenzumrichters selbst sollte der Einfluss ungünstiger Faktoren möglichst vermieden werden, um den zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters zu gewährleisten.
