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Wie kann die Wärme für Hochleistungswechselrichter am besten abgeführt werden?

Die meisten Hochleistungs-Wechselrichter und die dazugehörigen elektronischen Komponenten sind in Schaltschränke integriert. Wechselrichter verbessern nicht nur den Wirkungsgrad des Systems, sondern auch der Wirkungsgrad des Wechselrichters selbst ist mit einem Verlust von nur 2 % bis 4 % sehr hoch. Aufgrund der großen Menge an Leistungsumwandlung in Hochleistungswechselrichtern führt dies jedoch auch bei geringem Wirkungsgradverlust zur Erzeugung von mehreren Kilowatt bis Dutzenden Kilowatt Abwärme, die abgeführt werden muss.


In luftgekühlten Freiluftschränken ist es einfach, diese Wärme abzuführen. In rauen Umgebungen, in denen eine gefilterte Lüfterkühlung oder eine Kühlung über einen direkten Luftstrom nicht möglich ist, wird das Wärmemanagement des Gehäuses jedoch zu einem wichtigen Bestandteil des Designprozesses. Strategien sind unerlässlich, um Laufwerke mit abgedichtetem Gehäuse mit mittlerer und hoher Leistung in rauen Umgebungen effizient, passiv und wirtschaftlich zu kühlen.

01 Durchfluss oder abgedichtet

Offene Luftstromschränke lassen Umgebungsluft durch den Schrank strömen und kühlen die Hochleistungsmodule effektiv direkt. Diese effiziente Kühlung kann jedoch dazu führen, dass externe Verunreinigungen in das Gehäuse gelangen, die in der Regel durch den Einsatz eines Lüfterfiltersystems zur Filterung der in den Schrank strömenden Luft minimiert werden. Filter tragen zur Reduzierung von Staub und Schmutz bei, erfordern jedoch eine regelmäßige Wartung, um die Filter zu reinigen oder auszutauschen.

In diesen Systemen sind die Hochleistungskomponenten (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, kommutierte Thyristoren mit integriertem Gate, siliziumgesteuerte Gleichrichter) typischerweise mit einer flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte verbunden. Die Flüssigkeit gibt die Wärme dann über ein Dampfkompressionssystem oder über einen Flüssig-Luft-Wärmetauscher an die Umgebungsluft ab. In beiden Fällen kann sich der erforderliche Umgebungsluftwärmetauscher innerhalb oder außerhalb der Anlage befinden. Der Hauptnachteil dieser Systeme sind die Herausforderungen beim Einleiten von Flüssigkeit in den Schrank und beim Verrohren von Kühlmittel in und aus dem Schrank.

02 Schlaufen-Thermosyphons

Loop-Thermosyphons (LTS) sind zweiphasige Kühlgeräte mit Schwerkraftantrieb. Sie funktionieren ähnlich wie Heatpipes, bei denen das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf verdampft und kondensiert, um Wärme über eine bestimmte Strecke zu übertragen. Der Hauptvorteil von Schlaufen-Thermosyphons gegenüber Heatpipes ist die Möglichkeit, ein leitfähiges Arbeitsmedium zu verwenden, das eine effiziente Übertragung hoher Leistungen über große Entfernungen ermöglicht. Loop-Thermosyphons haben keine beweglichen Teile und sind zuverlässiger als aktive flüssige Kühlmittel, Dampfkompression oder gepumpte zweiphasige Kühlsysteme. Loop-Thermosyphons sind ideal für die Übertragung von Hochleistungsabwärme von der Leistungselektronik in einem Schrank auf die Umgebung außerhalb des Schranks.

03 Wärmetauscher mit abgedichtetem Gehäuse

Schlaufen-Thermosyphons sind eine hervorragende Methode, um große Wärmemengen direkt von Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung abzuführen. Die Abwärmelast der Sekundärkomponenten muss jedoch noch gekühlt werden. Diese sekundären Komponenten, darunter viele Geräte mit geringem Stromverbrauch, die über den gesamten Schrank verteilt sind, lassen sich nur schwer durch direkten Kontakt kühlen. Für diese Komponenten mit geringem Stromverbrauch und geringem Wärmefluss ist die direkte Luftkühlung die praktischste Methode. Komponenten mit geringem Stromverbrauch können problemlos durch Luft-Luft-Wärmetauscher gekühlt werden, während die Integrität der Gehäusedichtung erhalten bleibt.

In der Kombination aus Loop-Thermosyphon und abgedichtetem Wärmetauscher sind Hochleistungs-Insulated Gate Bipolartransistoren (IGBTs) oder Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCTs) auf der Loop-Thermosyphon-Kühlplatte montiert und deren 10 kW Last plus Wärmelast wird durch den Loop-Thermosyphon an die externe Schrankluft abgeführt (siehe Abbildung 2). Alle sekundären elektronischen Komponenten werden durch einen geschlossenen Luft-Luft-Wärmetauscher gekühlt, der ca. 1 kW Abwärme abführen kann.

Auch die Wasserversorgungspumpen vieler Kraftwerke sind recht leistungsstark. Zum Beispiel verfügt ein Wärmekraftwerk mit 2*300 MW über eine Wasserversorgungspumpe mit einer Leistung von 5500 kW. Bei einer so großen Leistung kommen Mittel- und Hochspannungstypen zum Einsatz, wie z.B. 6KV.
Einige Kugelmühlen haben auch eine relativ große Leistung, wie z. B. die Kugelmühle Ф5500×8500, deren Motorleistung 4500 kW beträgt.
Es gibt auch einige große Walzwerke mit relativ großer Motorleistung, insbesondere Warmwalzanlagen. So beträgt die Motorleistung einiger Fertigstraßen 11.000 Kilowatt.

Allgemeine Wärmeableitungsmethoden für Wechselrichter

Basierend auf der aktuellen Struktur von Wechselrichtern kann die Wärmeableitung im Allgemeinen in die folgenden drei Typen unterteilt werden: natürliche Wärmeableitung, Konvektionswärmeableitung, Flüssigkeitskühlung und Wärmeableitung aus der externen Umgebung.

(I) Natürliche Wärmeableitung Bei Wechselrichtern mit kleiner Kapazität wird im Allgemeinen die natürliche Wärmeableitung verwendet. Die Einsatzumgebung sollte gut belüftet und frei von Staub und schwimmenden Gegenständen sein. Diese Art von Wechselrichter wird hauptsächlich für Haushaltsklimaanlagen, CNC-Werkzeugmaschinen usw. mit sehr geringem Stromverbrauch und einer relativ guten Nutzungsumgebung verwendet.


(II) Konvektionskühlung leitet Wärme ab

Die Konvektionskühlung ist eine häufig verwendete Kühlmethode, wie in Abbildung 2 dargestellt. Mit der Entwicklung von Halbleiterbauelementen haben sich auch die Kühlkörper für Halbleiterbauelemente rasant entwickelt und tendieren zu Standardisierung, Serialisierung und Generalisierung. Während sich neue Produkte in Richtung eines niedrigen Wärmewiderstands entwickeln, multifunktional, klein, leicht und für die automatisierte Produktion und Installation geeignet. Mehrere große Kühlkörperhersteller in der Welt haben Tausende von Produktserien, die alle getestet wurden und Stromverbrauchs- und Wärmewiderstandskurven für Kühlkörper bieten, die dem Benutzer eine bequeme Auswahl ermöglichen. Gleichzeitig ist die Entwicklung von Wärmeableitungslüftern auch recht schnell und zeigt die Eigenschaften von geringer Größe, langer Lebensdauer, geringem Geräuschpegel, geringem Stromverbrauch, großem Luftvolumen und hohem Schutz. Zum Beispiel ist der häufig verwendete Wechselrichter-Wärmeableitungslüfter mit geringer Leistung nur 25 mm×25 mm×10 mm; Der japanische SANYO-Lüfter mit langer Lebensdauer kann 200000 Stunden erreichen und die Schutzstufe kann IPX5 erreichen. Es gibt auch SingapurLEIPOLE Axialventilator mit großem Luftvolumen,mit einem Abgasvolumen von bis zu 5700m3/h. Diese Faktoren bieten Designern einen sehr großen Spielraum.

Die Konvektionskühlung ist weit verbreitet, da die verwendeten Komponenten (Lüfter, Kühler) einfach zu wählen sind, die Kosten nicht zu hoch sind und die Kapazität des Wechselrichters zwischen Dutzenden und Hunderten von kVA oder sogar höher liegen kann (bei gleichzeitigen Einheiten).
(1) Kühlung mit eingebautem Lüfter des Wechselrichters

Die Kühlung mit eingebautem Lüfter wird in der Regel für Allzweck-Wechselrichter mit kleiner Kapazität verwendet. Durch die korrekte Installation des Wechselrichters kann die Kühlleistung des eingebauten Lüfters des Wechselrichters maximiert werden. Der eingebaute Lüfter kann die Wärme im Inneren des Wechselrichters abführen. Die abschließende Wärmeabfuhr erfolgt durch die Eisenplatte des Wechselrichterkastens. Die Kühlmethode, bei der nur der eingebaute Lüfter des Wechselrichters verwendet wird, eignet sich für Schaltkästen mit separaten Wechselrichtern und Steuerkästen mit relativ wenigen Steuerungskomponenten. Befinden sich mehrere Wechselrichter oder andere elektrische Komponenten mit relativ großer Wärmeabgabe im Schaltkasten des Wechselrichters, ist der Wärmeableitungseffekt nicht sehr offensichtlich.

(2) Kühlung mit externem Lüfter des Wechselrichters

Durch das Hinzufügen mehrerer Lüfter mit Konvektionsfunktion zur Lüftung in den Schaltkasten, in dem der Wechselrichter installiert ist, kann der Wärmeableitungseffekt des Wechselrichters erheblich verbessert und die Temperatur der Arbeitsumgebung des Wechselrichters gesenkt werden. Die Leistung des Lüfters kann durch die Wärmeabgabe des Wechselrichters berechnet werden. Lassen Sie uns über die allgemeine Auswahlmethode sprechen: Basierend auf der Erfahrung haben wir berechnet, dass für jede 1 kW Wärme, die durch den Stromverbrauch erzeugt wird, das Lüfterabgasvolumen 360 m³/h und der Stromverbrauch des Wechselrichters 4-5% seiner Kapazität beträgt. Hier rechnen wir mit 5% und können das Verhältnis zwischen dem inverterangepassten Lüfter und seiner Leistung erhalten: Zum Beispiel: Die Leistung des Wechselrichters beträgt 90 Kilowatt, dann: das Lüfterabgasvolumen (m3/h) = Wechselrichterleistung × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h

Wählen Sie dann das Lüftermodell verschiedener Hersteller entsprechend der Lüfterabluftmenge aus, um den Lüfter zu erhalten, der unseren Bedingungen entspricht. Generell ist die Lüfterkühlung in dieser Phase das Hauptmittel der Wechselrichterkühlung, besonders geeignet für relativ große Schaltschränke und wenn die elektrischen Komponenten im Schaltschrank arbeiten und gleichzeitig heizen. Er eignet sich für hochintegrierte zentrale Schaltschränke und Schaltkästen. Darüber hinaus sind die Lüfter mit Wärmeableitung aufgrund der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie in den letzten Jahren nicht mehr so groß wie in den Vorjahren, und kleine und leistungsstarke Lüfter sind überall. Auch das Preis-Leistungs-Verhältnis ist deutlich besser als bei anderen Kühlmethoden.