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

La plupart des onduleurs haute puissance et leurs composants électroniques associés sont intégrés dans les 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 dans les onduleurs haute puissance, même si la perte d’efficacité est faible, cela conduira à la production de plusieurs kilowatts à des dizaines de kilowatts de chaleur résiduelle, qui doivent être dissipés.


Dans les armoires refroidies à l’air libre, il est simple d’évacuer cette chaleur. Cependant, dans les environnements difficiles où le refroidissement par ventilateur filtré ou le refroidissement par flux d’air direct n’est pas possible, la gestion thermique du boîtier devient une partie importante du processus de conception. Ces stratégies sont essentielles pour refroidir efficacement, passivement et économiquement les disques durs de boîtier étanche de moyenne et haute puissance dans des environnements difficiles.

01 Débit ou scellé

Les armoires à flux d’air ouvert permettent à l’air ambiant de circuler à travers l’armoire, refroidissant efficacement et directement les modules haute puissance. Cependant, ce refroidissement efficace peut entraîner la pénétration de contaminants externes dans le boîtier, qui sont généralement minimisés en utilisant un système de filtre à ventilateur pour filtrer l’air circulant 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 de haute puissance (transistors bipolaires à grille isolée, thyristors à commutation de grille intégrée, redresseurs contrôlés par 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 de vapeur ou à travers 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 l’armoire et de faire entrer et sortir le liquide de refroidissement de l’armoire.

02 Thermosiphons à boucle

Les thermosiphons à boucle (LTS) sont des dispositifs de refroidissement biphasés entraînés par gravité. Ils fonctionnent de la même manière que les caloducs, 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 thermosiphons à boucle par rapport aux caloducs est la possibilité d’utiliser un fluide de travail conducteur, ce qui permet une transmission efficace sur de longues distances de haute puissance. Les thermosiphons à boucle n’ont pas de pièces mobiles et sont plus fiables que les liquides de refroidissement actifs, la compression de vapeur ou les systèmes de refroidissement biphasés par pompage. Les thermosiphons à boucle sont idéaux pour transférer la chaleur résiduelle à haute puissance de l’électronique de puissance dans une armoire vers l’environnement à l’extérieur de l’armoire.

03 Échangeurs de chaleur à enceinte étanche

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

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

Les pompes d’approvisionnement en eau de nombreuses centrales électriques sont également assez puissantes. Par exemple, une centrale thermique de 2*300MW dispose d’une pompe d’alimentation en eau d’une puissance de 5500KW. Avec une puissance aussi importante, des types de moyenne et haute tension sont utilisés, tels que 6KV.
Certains broyeurs à boulets ont également une puissance relativement importante, comme le broyeur à boulets Ф5500×8500, dont la puissance du moteur est de 4500 Kw.
Il existe également de grands laminoirs avec une puissance de moteur relativement importante, en particulier des équipements de laminage à chaud. Par exemple, la puissance du moteur de certains broyeurs de finition est de 11 000 kilowatts.

Méthodes générales de dissipation de la chaleur pour les onduleurs

Sur la base de la structure actuelle des onduleurs, la dissipation thermique peut généralement être divisée en trois types : dissipation thermique naturelle, dissipation thermique par convection, refroidissement liquide et dissipation thermique par environnement externe.

(I) Dissipation thermique naturelle Pour les onduleurs de petite capacité, la dissipation thermique naturelle 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 bon.


(II) Le refroidissement par convection dissipe la chaleur

Le refroidissement par convection est une méthode de refroidissement couramment utilisée, comme le montre la figure 2. Avec le développement des dispositifs à semi-conducteurs, les dissipateurs thermiques des dispositifs à semi-conducteurs se sont également développés rapidement, tendant à la normalisation, à la sérialisation et à la généralisation ; tandis que de nouveaux produits se développent dans le sens d’une faible résistance thermique, multifonctionnel, de petite taille, léger et adapté à la production et à l’installation automatisées. Plusieurs grands fabricants de dissipateurs thermiques dans le monde ont des milliers de séries de produits, qui ont tous été testés et fournissent une consommation d’énergie et des courbes de résistance thermique du dissipateur thermique, qui permettent aux utilisateurs de sélectionner avec précision. Dans le même temps, le développement des ventilateurs de dissipation thermique est également assez rapide, montrant les caractéristiques de petite taille, de longue durée de vie, de faible bruit, de faible consommation d’énergie, de grand volume d’air et de protection élevée. Par exemple, le ventilateur de dissipation thermique de l’onduleur basse puissance couramment utilisé n’est que de 25 mm×25 mm×10 mm ; Le ventilateur longue durée du Japon SANYO peut atteindre 200000h et le niveau de protection peut atteindre IPX5 ; il y a aussi SingapourVentilateur à flux axial LEIPOLE à grand volume d’air,avec un volume d’évacuation allant jusqu’à 5700m3/h. Ces facteurs offrent aux concepteurs un espace de choix très large.

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

Le refroidissement avec ventilateur intégré est généralement utilisé pour les onduleurs à usage général 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 évacuer la chaleur à l’intérieur de l’onduleur. La dissipation finale de la chaleur est effectuée à travers la plaque de fer du boîtier de l’onduleur. La méthode de refroidissement utilisant uniquement le ventilateur intégré de l’onduleur convient aux boîtiers de commande avec des onduleurs séparés et aux boîtiers de commande avec relativement peu de composants de commande. S’il y a plusieurs onduleurs ou autres composants électriques avec une dissipation thermique relativement importante dans le boîtier de commande de l’onduleur, l’effet de dissipation thermique n’est pas très évident.

(2) Refroidissement avec ventilateur externe de l’onduleur

En ajoutant plusieurs ventilateurs avec fonction de convection de ventilation dans le boîtier de commande où l’onduleur est installé, l’effet de dissipation thermique de l’onduleur peut être considérablement 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 thermique de l’onduleur. Parlons de la méthode générale de sélection : sur la base de l’expérience, nous avons calculé que pour chaque 1 kW de chaleur généré 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, puis : le volume d’échappement du ventilateur (m3/h) = capacité de l’onduleur × 5 % × 360m³/h/kW = 1620m³/h

Sélectionnez ensuite le modèle de ventilateur de différents fabricants en fonction du volume d’échappement du ventilateur pour obtenir le ventilateur qui répond à nos conditions. D’une manière générale, le refroidissement par ventilateur est le principal moyen de refroidissement par onduleur à ce stade, particulièrement adapté aux armoires de commande relativement grandes, et lorsque les composants électriques de l’armoire de commande fonctionnent et chauffent en même temps. Il convient aux armoires de commande centralisées et aux boîtiers de commande hautement intégrés. De plus, en raison des progrès continus de la technologie ces dernières années, les ventilateurs de dissipation de chaleur ne sont plus aussi énormes qu’ils l’étaient les années précédentes, et les ventilateurs petits et puissants sont partout. Le rapport coût-performance est également bien meilleur que celui des autres méthodes de refroidissement.