La plupart des onduleurs 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 dans les onduleurs haute puissance, même si la perte d'efficacité est faible, cela entraîne la génération de plusieurs kilowatts à des dizaines de kilowatts de chaleur résiduelle, qui doit être dissipée.
Dans les armoires refroidies par air ouvert, il est simple d'évacuer 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. Des stratégies sont essentielles pour refroidir efficacement, passivement et économiquement les variateurs à enceinte scellée de moyenne et haute puissance dans des environnements difficiles.
Les armoires à flux d'air ouvert permettent à l'air ambiant de circuler à travers l'armoire, refroidissant efficacement les modules haute puissance directement. Cependant, ce refroidissement efficace peut entraîner l'entrée de contaminants externes dans l'enceinte, généralement minimisés en utilisant un système de filtre 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 haute puissance (transistors bipolaires à grille isolée, thyristors commutés par grille intégrée, redresseurs contrôlés au silicium) sont généralement connectés à une plaque froide refroidie par fluide. Le fluide rejette ensuite la chaleur à l'air ambiant en utilisant un système de compression de vapeur ou 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 les défis liés à l'introduction de fluide dans l'armoire et au tuyautage du liquide de refroidissement entrant et sortant de l'armoire.
Les thermosiphons en boucle (LTS) sont des dispositifs de refroidissement diphasique entraînés par gravité. Ils fonctionnent de manière similaire aux caloducs, où le fluide de travail s'évapore et se condense dans une boucle fermée pour transférer la chaleur sur une distance donnée. Le principal avantage des thermosiphons en boucle par rapport aux caloducs est la capacité d'utiliser un fluide de travail conducteur, permettant une transmission efficace et longue distance de haute puissance. Les thermosiphons en 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 diphasique pompés. Les thermosiphons en boucle sont idéaux pour transférer la chaleur résiduelle haute puissance des électroniques de puissance dans une armoire vers l'environnement extérieur de l'armoire.
Les thermosiphons en boucle sont une excellente méthode pour éliminer de grandes quantités de chaleur directement des composants générant beaucoup de chaleur. Cependant, la charge de chaleur résiduelle des composants secondaires doit encore être refroidie. Ces composants secondaires, y compris de nombreux dispositifs de faible puissance dispersés dans l'armoire, sont difficiles à refroidir par contact direct. Pour ces composants de faible puissance et à faible flux thermique, 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 maintenant l'intégrité du joint de l'enceinte.
Dans la combinaison thermosiphon en boucle et échangeur de chaleur scellé, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) haute puissance ou les thyristors commutés par grille intégrée (IGCT) sont montés sur la plaque froide du thermosiphon en boucle, et sa charge de 10 kW plus la charge thermique est dissipée vers l'air extérieur de l'armoire via le thermosiphon en 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'alimentation en eau de nombreuses centrales électriques sont également assez puissantes. Par exemple, une centrale thermique de 2*300MW a une pompe d'alimentation en eau avec une puissance de 5500KW. Avec une si grande puissance, des types moyenne et haute tension sont utilisés, tels que 6KV.
Certains broyeurs à boulets ont également une puissance relativement grande, comme le broyeur à boulets Ф5500×8500, dont la puissance du moteur est de 4500Kw.
Il existe également de grands laminoirs avec une puissance de moteur relativement grande, en particulier les équipements de laminage à chaud. Par exemple, la puissance du moteur de certains laminoirs finisseurs est de 11 000 kilowatts.
Méthodes générales de dissipation de chaleur pour les variateurs
En fonction de la structure actuelle des variateurs, la dissipation de chaleur peut généralement être divisée en trois types suivants : dissipation de chaleur naturelle, dissipation de chaleur par convection, refroidissement liquide et dissipation de chaleur par environnement externe.
(I) Dissipation de chaleur naturelle Pour les variateurs de petite capacité, la dissipation de chaleur naturelle est généralement utilisée. L'environnement d'utilisation doit être bien ventilé et exempt de poussière et d'objets flottants. Ce type de variateur est principalement utilisé pour les climatiseurs domestiques, les machines-outils à commande numérique, etc., avec une très faible puissance et un environnement d'utilisation relativement bon.
(II) Refroidissement par convection pour dissiper la chaleur
Le refroidissement par convection est une méthode de refroidissement couramment utilisée, comme illustré à la Figure 2. Avec le développement des dispositifs à semi-conducteurs, les dissipateurs de chaleur pour dispositifs à semi-conducteurs ont également connu un développement rapide, tendant vers la normalisation, la sérialisation et la généralisation ; tandis que les nouveaux produits se développent dans la direction de faible résistance thermique, multifonctionnalité, petite taille, poids léger et adaptés à la production et à l'installation automatisées. Plusieurs grands fabricants de dissipateurs de chaleur dans le monde ont des milliers de séries de produits, toutes testées et fournissant des courbes de puissance d'utilisation et de résistance thermique du dissipateur, ce qui offre une commodité aux utilisateurs pour une sélection précise. En même temps, le développement des ventilateurs de dissipation est également assez rapide, montrant les caractéristiques de petite taille, longue durée de vie, faible bruit, faible consommation d'énergie, grand volume d'air et haute protection. Par exemple, le ventilateur de dissipation de chaleur couramment utilisé pour les variateurs de faible puissance ne mesure que 25mm×25mm×10mm ; le ventilateur longue durée de vie de SANYO au Japon peut atteindre 200000h, et le niveau de protection peut atteindre IPX5 ; il y a aussi SingapourLEIPOLE ventilateur axial à grand volume d'air,avec un volume d'échappement 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 (ventilateurs, radiateurs) utilisés sont faciles à choisir, le coût n'est pas trop élevé et la capacité du variateur peut aller de dizaines à des centaines de kVA, ou même plus (en utilisant des unités en parallèle).
(1) Refroidissement avec ventilateur intégré du variateur
Le refroidissement par ventilateur intégré est généralement utilisé pour les variateurs de vitesse universels de petite capacité. En installant correctement le variateur, la capacité de refroidissement du ventilateur intégré peut être maximisée. Le ventilateur intégré peut évacuer la chaleur à l'intérieur du variateur. La dissipation finale de la chaleur s'effectue à travers la plaque de fer du boîtier du variateur. La méthode de refroidissement utilisant uniquement le ventilateur intégré du variateur convient aux armoires de commande avec des variateurs séparés et aux armoires de commande avec relativement peu de composants de commande. S'il y a plusieurs variateurs ou d'autres composants électriques avec une dissipation thermique relativement importante dans l'armoire de commande du variateur, l'effet de dissipation thermique n'est pas très évident.
(2) Refroidissement par ventilateur externe du variateur
En ajoutant plusieurs ventilateurs avec fonction de convection et de ventilation dans l'armoire de commande où le variateur est installé, l'effet de dissipation thermique du variateur peut être grandement amélioré et la température de l'environnement de travail du variateur peut être réduite. La capacité du ventilateur peut être calculée en fonction de la dissipation thermique du variateur. Parlons de la méthode de sélection générale : Sur la base de l'expérience, nous avons calculé que pour chaque 1 kW de chaleur générée par la consommation électrique, le volume d'extraction du ventilateur est de 360 m³/h, et la consommation électrique du variateur est de 4 à 5 % de sa capacité. Ici, nous calculons à 5 %, et nous pouvons obtenir la relation entre le ventilateur adapté au variateur et sa capacité : Par exemple : la puissance du variateur est de 90 kilowatts, alors : le volume d'extraction du ventilateur (m3/h) = capacité du variateur × 5 % × 360 m³/h/kW = 1620 m³/h
Ensuite, sélectionnez le modèle de ventilateur de différents fabricants en fonction du volume d'extraction du ventilateur pour obtenir le ventilateur qui répond à nos conditions. En général, le refroidissement par ventilateur est le principal moyen de refroidissement des variateurs 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 hautement intégrées et aux boîtiers de commande. De plus, en raison des progrès technologiques continus de ces dernières années, les ventilateurs de dissipation thermique ne sont plus aussi volumineux qu'avant, et des ventilateurs petits et puissants sont partout. Le rapport qualité-prix est également bien meilleur que celui des autres méthodes de refroidissement.
Dans les armoires refroidies par air ouvert, il est simple d'évacuer 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. Des stratégies sont essentielles pour refroidir efficacement, passivement et économiquement les variateurs à enceinte scellée de moyenne et haute puissance dans des environnements difficiles.
01 Flux ou Scellé
Les armoires à flux d'air ouvert permettent à l'air ambiant de circuler à travers l'armoire, refroidissant efficacement les modules haute puissance directement. Cependant, ce refroidissement efficace peut entraîner l'entrée de contaminants externes dans l'enceinte, généralement minimisés en utilisant un système de filtre 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 haute puissance (transistors bipolaires à grille isolée, thyristors commutés par grille intégrée, redresseurs contrôlés au silicium) sont généralement connectés à une plaque froide refroidie par fluide. Le fluide rejette ensuite la chaleur à l'air ambiant en utilisant un système de compression de vapeur ou 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 les défis liés à l'introduction de fluide dans l'armoire et au tuyautage du liquide de refroidissement entrant et sortant de l'armoire.
02 Thermosiphons en boucle
Les thermosiphons en boucle (LTS) sont des dispositifs de refroidissement diphasique entraînés par gravité. Ils fonctionnent de manière similaire aux caloducs, où le fluide de travail s'évapore et se condense dans une boucle fermée pour transférer la chaleur sur une distance donnée. Le principal avantage des thermosiphons en boucle par rapport aux caloducs est la capacité d'utiliser un fluide de travail conducteur, permettant une transmission efficace et longue distance de haute puissance. Les thermosiphons en 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 diphasique pompés. Les thermosiphons en boucle sont idéaux pour transférer la chaleur résiduelle haute puissance des électroniques de puissance dans une armoire vers l'environnement extérieur de l'armoire.
03 Échangeurs de chaleur pour enceintes scellées
Les thermosiphons en boucle sont une excellente méthode pour éliminer de grandes quantités de chaleur directement des composants générant beaucoup de chaleur. Cependant, la charge de chaleur résiduelle des composants secondaires doit encore être refroidie. Ces composants secondaires, y compris de nombreux dispositifs de faible puissance dispersés dans l'armoire, sont difficiles à refroidir par contact direct. Pour ces composants de faible puissance et à faible flux thermique, 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 maintenant l'intégrité du joint de l'enceinte.
Dans la combinaison thermosiphon en boucle et échangeur de chaleur scellé, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) haute puissance ou les thyristors commutés par grille intégrée (IGCT) sont montés sur la plaque froide du thermosiphon en boucle, et sa charge de 10 kW plus la charge thermique est dissipée vers l'air extérieur de l'armoire via le thermosiphon en 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'alimentation en eau de nombreuses centrales électriques sont également assez puissantes. Par exemple, une centrale thermique de 2*300MW a une pompe d'alimentation en eau avec une puissance de 5500KW. Avec une si grande puissance, des types moyenne et haute tension sont utilisés, tels que 6KV.
Certains broyeurs à boulets ont également une puissance relativement grande, comme le broyeur à boulets Ф5500×8500, dont la puissance du moteur est de 4500Kw.
Il existe également de grands laminoirs avec une puissance de moteur relativement grande, en particulier les équipements de laminage à chaud. Par exemple, la puissance du moteur de certains laminoirs finisseurs est de 11 000 kilowatts.
Méthodes générales de dissipation de chaleur pour les variateurs
En fonction de la structure actuelle des variateurs, la dissipation de chaleur peut généralement être divisée en trois types suivants : dissipation de chaleur naturelle, dissipation de chaleur par convection, refroidissement liquide et dissipation de chaleur par environnement externe.
(I) Dissipation de chaleur naturelle Pour les variateurs de petite capacité, la dissipation de chaleur naturelle est généralement utilisée. L'environnement d'utilisation doit être bien ventilé et exempt de poussière et d'objets flottants. Ce type de variateur est principalement utilisé pour les climatiseurs domestiques, les machines-outils à commande numérique, etc., avec une très faible puissance et un environnement d'utilisation relativement bon.
(II) Refroidissement par convection pour dissiper la chaleur
Le refroidissement par convection est une méthode de refroidissement couramment utilisée, comme illustré à la Figure 2. Avec le développement des dispositifs à semi-conducteurs, les dissipateurs de chaleur pour dispositifs à semi-conducteurs ont également connu un développement rapide, tendant vers la normalisation, la sérialisation et la généralisation ; tandis que les nouveaux produits se développent dans la direction de faible résistance thermique, multifonctionnalité, petite taille, poids léger et adaptés à la production et à l'installation automatisées. Plusieurs grands fabricants de dissipateurs de chaleur dans le monde ont des milliers de séries de produits, toutes testées et fournissant des courbes de puissance d'utilisation et de résistance thermique du dissipateur, ce qui offre une commodité aux utilisateurs pour une sélection précise. En même temps, le développement des ventilateurs de dissipation est également assez rapide, montrant les caractéristiques de petite taille, longue durée de vie, faible bruit, faible consommation d'énergie, grand volume d'air et haute protection. Par exemple, le ventilateur de dissipation de chaleur couramment utilisé pour les variateurs de faible puissance ne mesure que 25mm×25mm×10mm ; le ventilateur longue durée de vie de SANYO au Japon peut atteindre 200000h, et le niveau de protection peut atteindre IPX5 ; il y a aussi SingapourLEIPOLE ventilateur axial à grand volume d'air,avec un volume d'échappement 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 (ventilateurs, radiateurs) utilisés sont faciles à choisir, le coût n'est pas trop élevé et la capacité du variateur peut aller de dizaines à des centaines de kVA, ou même plus (en utilisant des unités en parallèle).
(1) Refroidissement avec ventilateur intégré du variateur
Le refroidissement par ventilateur intégré est généralement utilisé pour les variateurs de vitesse universels de petite capacité. En installant correctement le variateur, la capacité de refroidissement du ventilateur intégré peut être maximisée. Le ventilateur intégré peut évacuer la chaleur à l'intérieur du variateur. La dissipation finale de la chaleur s'effectue à travers la plaque de fer du boîtier du variateur. La méthode de refroidissement utilisant uniquement le ventilateur intégré du variateur convient aux armoires de commande avec des variateurs séparés et aux armoires de commande avec relativement peu de composants de commande. S'il y a plusieurs variateurs ou d'autres composants électriques avec une dissipation thermique relativement importante dans l'armoire de commande du variateur, l'effet de dissipation thermique n'est pas très évident.
(2) Refroidissement par ventilateur externe du variateur
En ajoutant plusieurs ventilateurs avec fonction de convection et de ventilation dans l'armoire de commande où le variateur est installé, l'effet de dissipation thermique du variateur peut être grandement amélioré et la température de l'environnement de travail du variateur peut être réduite. La capacité du ventilateur peut être calculée en fonction de la dissipation thermique du variateur. Parlons de la méthode de sélection générale : Sur la base de l'expérience, nous avons calculé que pour chaque 1 kW de chaleur générée par la consommation électrique, le volume d'extraction du ventilateur est de 360 m³/h, et la consommation électrique du variateur est de 4 à 5 % de sa capacité. Ici, nous calculons à 5 %, et nous pouvons obtenir la relation entre le ventilateur adapté au variateur et sa capacité : Par exemple : la puissance du variateur est de 90 kilowatts, alors : le volume d'extraction du ventilateur (m3/h) = capacité du variateur × 5 % × 360 m³/h/kW = 1620 m³/h
Ensuite, sélectionnez le modèle de ventilateur de différents fabricants en fonction du volume d'extraction du ventilateur pour obtenir le ventilateur qui répond à nos conditions. En général, le refroidissement par ventilateur est le principal moyen de refroidissement des variateurs 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 hautement intégrées et aux boîtiers de commande. De plus, en raison des progrès technologiques continus de ces dernières années, les ventilateurs de dissipation thermique ne sont plus aussi volumineux qu'avant, et des ventilateurs petits et puissants sont partout. Le rapport qualité-prix est également bien meilleur que celui des autres méthodes de refroidissement.