Thermische Kühlung von Hochleistungs-Frequenzumrichtern
Frequenzumrichter liefern Leistung und Steuerung für gewerbliche und industrielle Motoren und müssen entsprechend ihrer Konstruktion und Anwendungsumgebung thermisch geschützt werden. Die Hauptvorteile des Frequenzumrichters sind eine flexible Steuerung, eine stabile Start- und Abschaltleistung und eine erhebliche Energieeinsparung durch Zentrifugallüfter und -pumpen, die unter variabler Last arbeiten.
Der Wirkungsgrad der meisten Frequenzumrichter und deren Zubehör wird nicht nur um 4 Prozent gesteigert, sondern auch in der Elektronik um 2 Prozent gesteigert. Aufgrund der großen Leistungsumwandlung in Hochleistungs-Frequenzumrichtern führt dies jedoch, selbst wenn der Wirkungsgradverlust gering ist, 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 ist es einfach, diese Wärme abzuführen. 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 Teil des Designprozesses geworden. Die Forschungsstrategie ist sehr wichtig für den Frequenzumrichter, der das versiegelte Gehäuse mittlerer und hoher Leistung effizient, passiv und wirtschaftlich in der rauen Umgebung kühlt.
Der Open-Air-Flow-Schrank kann die Umgebungsluft durch den Schrank zirkulieren lassen und das Hochleistungsmodul direkt und effektiv kühlen. Das abgedichtete Gehäuse lässt keine Außenluft in den Schrank ein, 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 Low-Power-Systeme geeignet. Bei vielen Hochleistungs-Wechselrichterschränken ist der Stromverbrauch jedoch höher als bei Luftkühlung. Komponenten mit geringer Leistung werden im Allgemeinen direkt durch einen Luftstrom gekühlt, während Komponenten mit höherer Leistung direkt oder indirekt durch das Kühlwasser der Anlage, das Dampfkompressionssystem oder das System mit gepumpter Flüssigkeit gekühlt werden.
2. Thermosiphonkühlung:
Loop Thermosyphon (LTS) ist ein durch Schwerkraft angetriebenes Zweiphasen-Kühlgerät. Ihre Arbeitsweise ähnelt der von Heatpipes. Solange das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf verdampft und kondensiert, kann es Wärme innerhalb einer bestimmten Entfernung übertragen. Im Vergleich zu Wärmerohren besteht der Hauptvorteil des Schleifen-Thermosiphons darin, dass es leitfähige Arbeitsflüssigkeiten verwenden und hohe Leistung effizient und fernübertragen kann. Verglichen mit dem aktiven flüssigen Kühlmittel, der Dampfkompression oder dem gepumpten Zweiphasenkühlsystem hat der Kreislauf-Thermosiphon keine beweglichen Teile und eine höhere Zuverlässigkeit. Der Loop-Thermosiphon ist sehr gut geeignet, um Hochleistungs-Abwärme von der leistungselektronischen Ausrüstung im Schrank an die äußere Umgebung des Schranks zu übertragen.
3. Wärmetauscher mit versiegeltem Gehäuse:
In der Kombination aus Schleifen-Thermosiphon und versiegeltem Wärmetauscher ist ein Hochleistungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein integrierter Gate-kommutierter Thyristor (IGCT) auf der Kühlplatte des Schleifen-Thermosiphons installiert. Seine 10-kW-Last plus Wärmelast wird durch einen Loop-Thermosiphon an die Luft des externen Schranks abgegeben. Alle sekundären elektronischen Komponenten werden durch geschlossene Gas-Gas-Wärmetauscher gekühlt, die Abwärme von etwa 1 kW abgeben können. Der Sealed Shell Cooler kann die von den leistungsarmen und verteilten Komponenten im Leistungselektronikschrank erzeugte Wärme abführen und verhindern, dass die Schadstoffe in der Außenluft mit diesen Komponenten interagieren. Die Kombination der beiden Kühllösungen kann die Hochleistungs-Motorsteuerung in der für die raue Arbeitsumgebung erforderlichen abgedichteten Hülle zuverlässig kühlen.
4. Flüssigkeitskühlung:
Flüssigkeitskühlung ist eine gängige Art der industriellen Flüssigkeitskühlung. Für die Ausrüstung von Frequenzumrichtern wird dieses Verfahren wegen seiner hohen Kosten und seines großen Volumens selten zur Wärmeableitung verwendet, wenn es in Frequenzumrichtern mit kleiner Kapazität verwendet wird. Da darüber hinaus die Kapazität allgemeiner Frequenzumsetzer von wenigen KVA bis fast 100 KVA reicht und die Kapazität nicht sehr groß ist, ist es schwierig, die Kostenleistung für die Benutzer akzeptabel zu machen. Dieses Verfahren wird nur zu besonderen Anlässen verwendet) und Frequenzumrichter mit besonders großer Kapazität.
Unabhängig davon, welche thermische Lösung gewählt wird, muss der Stromverbrauch entsprechend der Kapazität des Frequenzumrichters bestimmt werden, und es müssen geeignete Lüfter und Kühler ausgewählt werden, um ein hervorragendes Kosten-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 zu gewährleisten. Aus Sicht des Frequenzumrichters selbst sollte der Einfluss widriger Faktoren so weit wie möglich vermieden werden, um den zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters zu gewährleisten.
