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Wie leitet man die Wärme am besten für Hochleistungs-Wechselrichter ab?

Die meisten Hochleistungswechselrichter und ihre zugehörigen elektronischen Komponenten sind in elektrische Schränke integriert. Wechselrichter verbessern nicht nur die Systemeffizienz, sondern auch der Wirkungsgrad des Wechselrichters selbst ist sehr hoch, mit einem Verlust von nur 2 % bis 4 %. Aufgrund der großen Leistungsumwandlung in Hochleistungs-Wechselrichtern führt dies jedoch selbst bei geringem Effizienzverlust zur Erzeugung von mehreren Kilowatt bis dutzend Kilowatt Abwärme, die abgegeben werden muss.


In offenen, luftgekühlten Schränken ist es einfach, diese Wärme zu entfernen. In rauen Umgebungen, in denen gefilterte Lüfterkühlung oder direkte Luftströmung nicht möglich sind, wird das Wärmemanagement des Gehäuses jedoch zu einem wichtigen Teil des Designprozesses. Strategien sind unerlässlich, um mittel- und leistungsstarke, versiegelte Gehäuseantriebe effizient, passiv und wirtschaftlich in rauen Umgebungen zu kühlen.

01 Flow oder Sealed

Offene Luftströmungskabinen lassen Umgebungsluft durch den Schrank strömen und kühlen die Hochleistungsmodule effektiv direkt. Diese effiziente Kühlung kann jedoch dazu führen, dass äußere Schadstoffe in das Gehäuse gelangen, die typischerweise durch den Einsatz eines Ventilatorfiltersystems minimiert werden, um die Luft in den Schrank zu filtern. Filter helfen, Staub und Schmutz zu reduzieren, benötigen aber regelmäßige Wartung, um die Filter zu reinigen oder zu ersetzen.

In diesen Systemen sind die Hochleistungskomponenten (isolierte Gate-Bipolartransistoren, integrierte Gate-kommutierte Thyristoren, siliziumgesteuerte Gleichrichter) typischerweise mit einer flüssigkeitsgekühlten Kaltplatte verbunden. Die Flüssigkeit leitet die Wärme dann mittels eines Dampfkompressionssystems oder über einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher an die Umgebungsluft ab. In beiden Fällen kann der erforderliche Umgebungsluftwärmetauscher innerhalb oder außerhalb der Anlage angebracht werden. Der Hauptnachteil dieser Systeme sind die Herausforderungen, Flüssigkeit in den Schrank einzuführen und Kühlmittel hinein- und auszuleiten.

02-Schleifen-Thermosyphonen

Loop Thermosyphons (LTS) sind schwerkraftbetriebene zweiphasige Kühlvorrichtungen. Sie funktionieren ähnlich wie Wärmerohre, bei denen das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf verdampft und kondensiert, um Wärme über eine bestimmte Strecke zu übertragen. Der Hauptvorteil von Schleifen-Thermosyphonen gegenüber Wärmeleitungen ist die Möglichkeit, ein leitfähiges Arbeitsmedium zu verwenden, was eine effiziente, weite Übertragung hoher Leistung ermöglicht. Schleifen-Thermosyphone haben keine beweglichen Teile und sind zuverlässiger als aktive Flüssigkeitskühlmittel, Dampfkompression oder gepumpte zweiphasige Kühlsysteme. Schleifen-Thermosyphonen sind ideal, um hochleistungsfähige Abwärme von der Leistungselektronik in einem Schrank in die Umgebung außerhalb des Gehäuses zu übertragen.

03 Versiegelte Gehäusewärmetauscher

Schleifen-Thermosyphonen sind eine ausgezeichnete Methode, um große Wärmemengen direkt von hoch wärmeerzeugenden Komponenten zu entfernen. Die Abwärme der sekundären Komponenten muss jedoch weiterhin gekühlt werden. Diese sekundären Bauteile, darunter viele stromschwache Geräte, die im Gehäuse verteilt sind, lassen sich durch direkten Kontakt schwer kühlen. Für diese leistungsschwachen, wärmestarken Komponenten ist die direkte Luftkühlung die praktischste Methode. Energiesparende Komponenten können leicht durch Luft-Luft-Wärmetauscher gekühlt werden, während die Integrität der Gehäusedichtung erhalten bleibt.

In der Kombination aus Schleifen-Thermosyphon und abgedichtetem Wärmetauscher sind auf der Schleifen-Thermosyphon-Kaltplatte hochleistungs-isolierte Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) oder integrierte gate-kommutierte Thyristoren (IGCTs) montiert, deren 10 kW Last plus Wärmelast durch den Loop-Thermosyphon an die Außenluft des Kabinens abgegeben wird (siehe Abbildung 2). Alle sekundären elektronischen Komponenten werden durch einen abgedichteten Luft-Luft-Wärmetauscher gekühlt, der etwa 1 kW Abwärme abgeben kann.

Die Wasserversorgungspumpen vieler Kraftwerke sind ebenfalls sehr leistungsstark. Zum Beispiel verfügt ein 2*300 MW Wärmekraftwerk über eine Wasserversorgungspumpe mit einer Leistung von 5500 kW. Bei einer so hohen Leistung werden Mittel- und Hochspannungstypen wie 6 kV verwendet.
Einige Kugelmühlen haben ebenfalls eine relativ hohe Leistung, wie die Kugelmühle Ф5500×8500, deren Motorleistung 4500 kW beträgt.
Es gibt auch einige große Walzwerke mit relativ hoher Motorkraft, insbesondere Heißwalzmaschinen. Zum Beispiel beträgt die Motorleistung einiger Fertigmühlen 11.000 Kilowatt.

Allgemeine Wärmeableitungsmethoden für Wechselrichter

Basierend auf der aktuellen Struktur von Wechselrichtern lässt sich die Wärmeableitung im Allgemeinen in folgende drei Typen unterteilen: natürliche Wärmeableitung, Konvektionswärmeableitung, Flüssigkeitskühlung und Wärmeableitung in der Außenumgebung.

(I) Natürliche Wärmeableitung Für Wechselrichter mit kleiner Kapazität wird in der Regel eine natürliche Wärmeableitung verwendet. Die Nutzungsumgebung sollte gut belüftet und frei von Staub und schwebenden Gegenständen sein. Dieser Wechselrichtertyp wird hauptsächlich für Haushaltsklimaanlagen, CNC-Werkzeugmaschinen usw. verwendet, mit sehr geringem Stromverbrauch und einer relativ guten Umgebung.


(II) Konvektionskühlung leitet Wärme ab

Konvektionskühlung ist eine häufig verwendete Kühlmethode, wie in Abbildung 2 dargestellt. Mit der Entwicklung von Halbleiterbauelementen haben sich auch Halbleiterbauelemente rasch entwickelt, mit Tendenz zur Standardisierung, Serialisierung und Verallgemeinerung; während sich neue Produkte in Richtung niedriger Wärmebeständigkeit, Multifunktionsfähigkeit, geringe Größe, geringes Gewicht und geeignet für automatisierte Produktion und Installation entwickeln. Mehrere große Hersteller von Kühlkörpern weltweit verfügen über Tausende von Produktserien, die alle getestet wurden und Stromverbrauch sowie Wärmewiderstandskurven bieten, was den Nutzern eine präzise Auswahl erleichtert. Gleichzeitig ist die Entwicklung von Wärmeableitungsventilatoren auch recht schnell und zeigt Eigenschaften wie geringe Größe, lange Betriebsdauer, geringe Geräusche, geringen Stromverbrauch, großes Luftvolumen und hohen Schutz. Zum Beispiel ist der häufig verwendete Wärmeabfuhrventilator mit niedriger Leistung nur 25 mm×25 mm×10 mm; Der langlebige Ventilator von Japan SANYO kann bis zu 200.000 Stunden erreichen, und der Schutzgrad kann IPX5 erreichen; es gibt auch SingapurLEIPOLE Axialstromventilator mit großem Luftvolumen,mit einem Auspuffvolumen von bis zu 5700 m³/h. Diese Faktoren bieten Designern einen sehr breiten Wahlraum.

Konvektionskühlung wird weit verbreitet eingesetzt, weil die verwendeten Komponenten (Lüfter, Radiatoren) leicht auszuwählen sind, die Kosten nicht zu hoch sind und die Kapazität des Wechselrichters zwischen zig und mehreren hundert kVA oder sogar noch höher sein kann (bei paralleler Einheit).
(1) Kühlung mit integriertem Lüfter des Wechselrichters

Die Kühlung mit integriertem Lüfter wird in der Regel für kleine, universelle Wechselrichter verwendet. Durch die korrekte Installation des Wechselrichters kann die Kühlleistung des eingebauten Lüfters maximiert werden. Der eingebaute Lüfter kann die Wärme im Inverter entfernen. Die endgültige Wärmeabgabe erfolgt über die Eisenplatte des Wechselrichterkastens. Die Kühlmethode, die ausschließlich den eingebauten Lüfter des Wechselrichters verwendet, eignet sich für Steuerboxen mit separaten Wechselrichtern und Steuerboxen mit relativ wenigen Steuerkomponenten. Wenn sich mehrere Wechselrichter oder andere elektrische Komponenten mit relativ hoher Wärmeabfuhr in der Wechselrichtersteuerung befinden, ist der Wärmeabgabeeffekt nicht sehr offensichtlich.

(2) Kühlung mit externem Lüfter des Wechselrichters

Durch das Hinzufügen mehrerer Ventilatoren mit Lüftungskonvektionsfunktion im Steuerkasten, in dem der Wechselrichter installiert ist, kann die Wärmeabfuhr des Wechselrichters erheblich verbessert und die Temperatur der Arbeitsumgebung des Wechselrichters reduziert werden. Die Kapazität des Ventilators kann durch die Wärmeabgabe des Wechselrichters berechnet werden. Sprechen wir über die allgemeine Auswahlmethode: Basierend auf Erfahrung haben wir berechnet, dass für jede 1 kW Wärme, die durch den Stromverbrauch erzeugt wird, das Abluftvolumen des Ventilators 360 m³/h beträgt und der Stromverbrauch des Wechselrichters 4–5 % seiner Kapazität beträgt. Hier berechnen wir bei 5 % und erhalten die Beziehung zwischen dem wechselwechselmechanisierten Ventilator und seiner Kapazität: Zum Beispiel: Die Wechselrichterleistung beträgt 90 Kilowatt, dann: das Abgasvolumen des Ventilators (m3/h) = Wechselrichterkapazität × 5 % × 360 m³/h/kW = 1620 m³/h

Wählen Sie dann das Ventilatormodell verschiedener Hersteller entsprechend dem Volumen des Ventilatorablufts, um den Ventilator zu erhalten, der unseren Bedingungen entspricht. Im Allgemeinen ist die Lüfterkühlung in dieser Phase die Hauptmethode der Wechselrichterkühlung, besonders geeignet für relativ große Steuerschränke, und wenn die elektrischen Komponenten im Steuerschrank gleichzeitig arbeiten und erhitzen. Es eignet sich für hochintegrierte zentrale Steuerungsschränke und Steuerboxen. Außerdem sind durch den stetigen technologischen Fortschritt in den letzten Jahren Wärmeableitungsventilatoren nicht mehr so groß wie in den Vorjahren, und überall sind kleine und leistungsstarke Lüfter zu finden. Auch die Kosteneffizienz ist deutlich besser als bei anderen Kühlmethoden.