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Comment dissiper au mieux la chaleur pour les onduleurs à haute puissance ?

La plupart des onduleurs à haute puissance et leurs composants électroniques associés sont intégrés dans des armoires électriques. Les onduleurs améliorent non seulement l’efficacité du système, mais l’efficacité de l’onduleur lui-même est également très élevée, avec une perte de seulement 2 % à 4 %. Cependant, en raison de la grande quantité de conversion de puissance des onduleurs à haute potence, même si la perte d’efficacité est faible, cela entraînera la génération de plusieurs kilowatts à des dizaines de kilowatts de chaleur résiduelle, qui devront être dissipées.


Dans les placards ouverts refroidis à l’air, il est facile d’éliminer cette chaleur. Cependant, dans les environnements difficiles où le refroidissement par ventilateur filtré ou par flux d’air direct n’est pas possible, la gestion thermique de l’enceinte devient une partie importante du processus de conception. Les stratégies sont essentielles pour refroidir efficacement, de manière passive et économique des disques d’enceinte scellés à puissance moyenne et élevée dans des environnements difficiles.

01 Écoulement ou Scellé

Les armoires ouvertes à flux d’air laissent circuler l’air ambiant à travers l’armoire, refroidissant ainsi directement les modules à haute puissance. Cependant, ce refroidissement efficace peut entraîner l’entrée de contaminants externes dans l’enceinte, généralement minimisés par l’utilisation d’un système de filtrage à ventilateur pour filtrer l’air entrant dans l’armoire. Les filtres aident à réduire la poussière et les débris, mais ils nécessitent un entretien régulier pour nettoyer ou remplacer les filtres.

Dans ces systèmes, les composants à haute puissance (transistors bipolaires à grille isolée, thyristors à commutation intégrée, redresseurs contrôlés au silicium) sont généralement connectés à une plaque froide refroidie par fluide. Le fluide rejette ensuite la chaleur dans l’air ambiant à l’aide d’un système de compression vapeur ou via un échangeur de chaleur liquide-air. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur à air ambiant requis peut être situé à l’intérieur ou à l’extérieur de l’installation. Le principal inconvénient de ces systèmes est la difficulté d’introduire du liquide dans le meuble et de canaliser le liquide de refroidissement à l’intérieur et à l’extérieur du meuble.

Thermosyphons à boucle 02

Les thermosyphons à boucle (LTS) sont des dispositifs de refroidissement biphasés à gravité. Ils fonctionnent de manière similaire aux conduites à chaleur, où le fluide de travail s’évapore et se condense en boucle fermée pour transférer la chaleur sur une distance donnée. Le principal avantage des thermosyphons à boucle par rapport aux heat pipes est la capacité d’utiliser un fluide de travail conducteur, permettant une transmission efficace et longue distance de haute puissance. Les thermosyphons en boucle ne possèdent pas de pièces mobiles et sont plus fiables que les liquides actifs de refroidissement, la compression de vapeur ou les systèmes de refroidissement biphasés pompés. Les thermosyphons en boucle sont idéaux pour transférer la chaleur résiduelle à haute puissance de l’électronique d’un meuble vers l’environnement extérieur à l’extérieur.

03 Échangeurs de chaleur à boîtier scellé

Les thermosyphons en boucle sont une excellente méthode pour éliminer de grandes quantités de chaleur directement des composants générateurs de chaleur élevée. Cependant, la charge thermique résiduelle des composants secondaires doit encore être refroidie. Ces composants secondaires, y compris de nombreux dispositifs à faible consommation dispersés dans l’armoire, sont difficiles à refroidir par contact direct. Pour ces composants à faible consommation et faible flux de chaleur, le refroidissement direct par air est la méthode la plus pratique. Les composants à faible puissance peuvent être facilement refroidis par des échangeurs de chaleur air-air tout en maintenant l’intégrité du joint d’enceinte.

Dans la combinaison thermosyphon à boucle et échangeur de chaleur scellé, des transistors bipolaires à grille isolée haute puissance (IGBT) ou des thyristors à commutation intégrée à grille (IGCT) sont montés sur la plaque froide thermosyphon en boucle, et sa charge de 10 kW plus la charge thermique est dissipée dans l’air externe de l’armoire via le thermosyphon en boucle (voir Figure 2). Tous les composants électroniques secondaires sont refroidis par un échangeur thermique air-air scellé, qui peut éliminer environ 1 kW de chaleur résiduelle.

Les pompes d’approvisionnement en eau de nombreuses centrales électriques sont également très puissantes. Par exemple, une centrale thermique de 2*300MW dispose d’une pompe d’alimentation en eau d’une puissance de 5500 kWW. Avec une telle puissance, des types moyenne et haute tension sont utilisés, comme 6 KV.
Certains moulins à boules ont également une puissance relativement importante, comme le moulin à billes de 5500×8500 Ф, dont la puissance moteur est de 4500 kW.
Il existe également quelques grands laminoirs avec une puissance moteur relativement importante, notamment des équipements de laminage à chaud. Par exemple, la puissance motrice de certains laminoirs de finition est de 11 000 kilowatts.

Méthodes générales de dissipation de la chaleur pour les onduleurs

D’après la structure actuelle des onduleurs, la dissipation de chaleur peut généralement être divisée en trois types : dissipation naturelle de chaleur, dissipation thermique par convection, refroidissement liquide et dissipation thermique extérieure de l’environnement.

(I) Dissipation naturelle de la chaleur Pour les onduleurs de petite capacité, la dissipation naturelle de la chaleur est généralement utilisée. L’environnement d’utilisation doit être bien ventilé et exempt de poussière et d’objets flottants. Ce type d’onduleur est principalement utilisé pour les climatiseurs domestiques, les machines-outils CNC, etc., avec une très faible puissance et un environnement d’utilisation relativement favorable.


(II) Dissipation de la chaleur par refroidissement par convection

Le refroidissement par convection est une méthode de refroidissement couramment utilisée, comme le montre la Figure 2. Avec le développement des dispositifs semi-conducteurs, les dissipateurs thermiques de dispositifs semi-conducteurs se sont également développés rapidement, tendant vers la standardisation, la sérialisation et la généralisation ; De nouveaux produits se développent dans une direction de faible résistance thermique, multifonctions, de petite taille, légers et adaptés à la production et à l’installation automatisées. Plusieurs grands fabricants de dissipateurs thermiques dans le monde disposent de milliers de séries de produits, toutes testées et fournissant des courbes de consommation d’énergie et de résistance thermique des dissipateurs, ce qui facilite la sélection avec précision des utilisateurs. Parallèlement, le développement des ventilateurs à dissipation de chaleur est également très rapide, montrant les caractéristiques de petite taille, longue durée de service, faible bruit, faible consommation d’énergie, grand volume d’air et haute protection. Par exemple, le ventilateur de dissipation thermique à basse puissance à inverteur couramment utilisé ne mesure que 25 mm×25 mm×10 mm ; Le ventilateur SANYO longue durée de vie japonais peut atteindre 200000h, et le niveau de protection peut atteindre IPX5 ; il y a aussi SingapourVentilateur axial à grand volume d’air LEIPOLE,avec un volume d’échappement allant jusqu’à 5700 m3/h. Ces facteurs offrent aux designers un espace de choix très large.

Le refroidissement par convection est largement utilisé car les composants (ventilateurs, radiateurs) sont faciles à choisir, le coût n’est pas trop élevé, et la capacité de l’onduleur peut aller de dizaines à centaines de kVA, voire plus (en utilisant des unités en parallèle).
(1) Refroidissement avec un ventilateur intégré de l’onduleur

Le refroidissement avec un ventilateur intégré est généralement utilisé pour les onduleurs polyvalents de petite capacité. En installant correctement l’onduleur, la capacité de refroidissement du ventilateur intégré de l’onduleur peut être maximisée. Le ventilateur intégré peut retirer la chaleur à l’intérieur de l’onduleur. La dissipation finale de la chaleur est effectuée à travers la plaque de fer de la boîte inverseur. La méthode de refroidissement utilisant uniquement le ventilateur intégré de l’onduleur convient aux boîtes de contrôle avec onduleurs séparés et aux boîtes de commande avec relativement peu de composants de commande. S’il y a plusieurs onduleurs ou autres composants électriques avec une dissipation de chaleur relativement importante dans la boîte de contrôle de l’onduleur, l’effet de dissipation de chaleur n’est pas très évident.

(2) Refroidissement avec un ventilateur externe de l’onduleur

En ajoutant plusieurs ventilateurs avec fonction de convection de ventilation dans la boîte de contrôle où l’onduleur est installé, l’effet de dissipation de la chaleur de l’onduleur peut être grandement amélioré et la température de l’environnement de travail de l’onduleur peut être réduite. La capacité du ventilateur peut être calculée par la dissipation de chaleur de l’onduleur. Parlons de la méthode générale de sélection : d’après notre expérience, nous avons calculé que pour chaque 1 kW de chaleur générée par la consommation d’énergie, le volume d’échappement du ventilateur est de 360 m³/h, et la consommation d’énergie de l’onduleur est de 4 à 5 % de sa capacité. Ici, nous calculons à 5 %, et nous pouvons obtenir la relation entre le ventilateur adapté à l’onduleur et sa capacité : Par exemple : la puissance de l’onduleur est de 90 kilowatts, alors : le volume d’extraction du ventilateur (m3/h) = capacité de l’onduleur × 5 % × 360 m³/h/kW = 1620 m³/h = 1620 m³/h

Ensuite, sélectionnez le modèle de ventilateur de différents fabricants selon le volume d’extraction du ventilateur pour obtenir celui qui répond à nos conditions. De manière générale, le refroidissement par ventilateur est le principal moyen de refroidissement par onduleur à ce stade, particulièrement adapté aux armoires de contrôle relativement grandes, et lorsque les composants électriques de l’armoire de contrôle fonctionnent et chauffent en même temps. Il convient aux armoires de contrôle centralisées et aux boîtes de contrôle très intégrées. De plus, grâce aux avancées continues de la technologie ces dernières années, les ventilateurs à dissipation de chaleur ne sont plus aussi énormes qu’auparavant, et de petits ventilateurs puissants sont omniprésents. Le rapport qualité-prix est également bien meilleur que d’autres méthodes de refroidissement.