Hầu hết các bộ biến tần công suất cao và các linh kiện điện tử liên quan đều được tích hợp vào tủ điện. Bộ biến tần không chỉ cải thiện hiệu suất hệ thống, mà hiệu suất của chính bộ biến tần cũng rất cao, chỉ mất từ 2% đến 4%. Tuy nhiên, do lượng chuyển đổi công suất lớn trong các biến tần công suất cao, ngay cả khi tổn thất hiệu suất thấp, nó vẫn dẫn đến việc tạo ra từ vài kilowatt đến hàng chục kilowatt nhiệt thải, và phải được tản nhiệt.
Trong tủ mở làm mát bằng không khí, việc loại bỏ nhiệt này rất dễ dàng. Tuy nhiên, trong môi trường khắc nghiệt, nơi không thể làm mát quạt lọc hoặc làm mát bằng luồng không khí trực tiếp, việc quản lý nhiệt của vỏ máy trở thành một phần quan trọng trong quy trình thiết kế. Chiến lược là yếu tố thiết yếu để làm mát hiệu quả, thụ động và tiết kiệm các thiết bị đóng kín công suất trung bình và cao trong môi trường khắc nghiệt.
Tủ lưu thông không khí mở cho phép không khí xung quanh lưu thông qua tủ, làm mát hiệu quả các mô-đun công suất cao trực tiếp. Tuy nhiên, việc làm mát hiệu quả này có thể dẫn đến các tạp chất bên ngoài xâm nhập vào vỏ máy, và thường được giảm thiểu bằng cách sử dụng hệ thống lọc quạt để lọc không khí đi vào tủ. Bộ lọc giúp giảm bụi và mảnh vụn, nhưng cần được bảo trì định kỳ để làm sạch hoặc thay thế bộ lọc.
Trong các hệ thống này, các linh kiện công suất cao (transistor hai cực cổng cách điện, thyristor giao hoán cổng tích hợp, bộ chỉnh lưu điều khiển silicon) thường được kết nối với một tấm lạnh làm mát bằng chất lỏng. Chất lỏng sau đó thải nhiệt ra không khí xung quanh bằng hệ thống nén hơi hoặc qua bộ trao đổi nhiệt từ chất lỏng sang không khí. Trong cả hai trường hợp, bộ trao đổi nhiệt không khí môi trường cần thiết có thể được đặt bên trong hoặc bên ngoài cơ sở. Nhược điểm chính của các hệ thống này là khó khăn khi đưa chất lỏng vào tủ và dẫn nước làm mát ra vào tủ.
Ống giữ nhiệt vòng (LTS) là các thiết bị làm mát hai pha điều khiển bằng trọng lực. Chúng hoạt động tương tự như ống dẫn nhiệt, nơi chất lỏng làm việc bay hơi và ngưng tụ trong một vòng kín để truyền nhiệt qua một khoảng cách nhất định. Ưu điểm chính của ống giữ nhiệt vòng so với ống dẫn nhiệt là khả năng sử dụng chất lỏng dẫn điện, cho phép truyền tải công suất cao hiệu quả và khoảng cách xa. Ống hút nhiệt vòng không có bộ phận chuyển động và đáng tin cậy hơn so với các chất làm mát lỏng chủ động, nén hơi hoặc hệ thống làm mát hai pha bơm. Ống giữ nhiệt vòng là lựa chọn lý tưởng để truyền nhiệt thải công suất cao từ các thiết bị điện tử trong tủ ra môi trường bên ngoài tủ.
Bình giữ nhiệt vòng là một phương pháp tuyệt vời để loại bỏ lượng lớn nhiệt trực tiếp từ các linh kiện tạo nhiệt cao. Tuy nhiên, tải nhiệt thải của các bộ phận phụ vẫn cần được làm mát. Các linh kiện phụ này, bao gồm nhiều thiết bị tiêu thụ điện năng thấp rải rác khắp tủ, rất khó làm mát bằng tiếp xúc trực tiếp. Đối với các linh kiện tiết kiệm năng lượng, lưu lượng nhiệt thấp, làm mát trực tiếp bằng không khí là phương pháp thực tế nhất. Các linh kiện tiết kiệm năng lượng có thể dễ dàng làm mát bằng bộ trao đổi nhiệt không khí-không khí trong khi vẫn giữ được tính toàn vẹn của lớp kín vỏ.
Trong tổ hợp ống nhiệt vòng và bộ trao đổi nhiệt kín, các transistor hai cực cổng cách điện công suất cao (IGBT) hoặc thyristor tích hợp giao vị cổng (IGCT) được gắn trên tấm lạnh vòng nhiệt, và tải 10 kW cộng với tải nhiệt được tản ra không khí tủ ngoài qua ống nhiệt vòng (xem Hình 2). Tất cả các linh kiện điện tử phụ đều được làm mát bằng bộ trao đổi nhiệt không khí kín, có thể loại bỏ khoảng 1 kW nhiệt thải.
Các máy bơm cấp nước của nhiều nhà máy điện cũng rất mạnh mẽ. Ví dụ, một nhà máy nhiệt điện 2*300MW có bơm cấp nước với công suất 5500KW. Với công suất lớn như vậy, các loại điện áp trung và cao được sử dụng, như 6KV.
Một số máy nghiền bi cũng có công suất tương đối lớn, như máy nghiền bi Ф5500×8500, với công suất động cơ là 4500Kw.
Cũng có một số nhà máy cán lớn với công suất động cơ tương đối lớn, đặc biệt là thiết bị cán nóng. Ví dụ, công suất động cơ của một số nhà máy hoàn thiện là 11.000 kilowatt.
Các phương pháp tản nhiệt chung cho bộ nghịch đảo
Dựa trên cấu trúc hiện tại của bộ nghịch đảo, tản nhiệt thường được chia thành ba loại sau: tản nhiệt tự nhiên, tản nhiệt đối lưu, làm mát bằng chất lỏng và tản nhiệt môi trường bên ngoài.
(I) Tản nhiệt tự nhiên Đối với bộ nghịch đảo công suất nhỏ, tản nhiệt tự nhiên thường được sử dụng. Môi trường sử dụng cần được thông thoáng tốt và không có bụi bẩn cùng các vật thể nổi. Loại biến tần này chủ yếu được sử dụng cho máy điều hòa không khí gia đình, máy công cụ CNC, v.v., với công suất rất thấp và môi trường sử dụng tương đối tốt.
(II) Làm mát bằng đối lưu làm tán nhiệt
Làm mát đối lưu là một phương pháp làm mát phổ biến, như thể hiện trong Hình 2. Cùng với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn, các bộ tản nhiệt thiết bị bán dẫn cũng phát triển nhanh chóng, có xu hướng tiêu chuẩn hóa, tuần tự hóa và tổng quát hóa; trong khi các sản phẩm mới đang phát triển theo hướng khả năng chịu nhiệt thấp, đa chức năng, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và phù hợp cho sản xuất và lắp đặt tự động. Nhiều nhà sản xuất bộ tản nhiệt lớn trên thế giới đã có hàng ngàn dòng sản phẩm, tất cả đều đã được kiểm tra và cung cấp các đường cong điện trở tiêu thụ điện năng cũng như điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn chính xác. Đồng thời, sự phát triển của quạt tản nhiệt cũng diễn ra khá nhanh, thể hiện đặc điểm kích thước nhỏ, tuổi thọ dài, tiếng ồn thấp, tiêu thụ điện năng thấp, thể tích không khí lớn và khả năng bảo vệ cao. Ví dụ, quạt tản nhiệt inverter công suất thấp thường dùng chỉ có kích thước 25mm×25mm×10mm; Quạt SANYO của Nhật Bản có tuổi thọ cao đến 200000h, và mức độ bảo vệ có thể đạt IPX5; cũng có SingaporeQuạt dòng trục khối lượng lớn LEIPOLE,với thể tích xả lên đến 5700m3/h. Những yếu tố này mang lại cho các nhà thiết kế một không gian lựa chọn rất rộng.
Làm mát đối lưu được sử dụng rộng rãi vì các thành phần (quạt, bộ tản nhiệt) sử dụng dễ lựa chọn, chi phí không quá cao, và công suất của bộ nghịch đảo có thể từ hàng chục đến hàng trăm kVA, thậm chí cao hơn (sử dụng các thiết bị song song).
(1) Làm mát bằng quạt tích hợp của bộ biến tần
Làm mát bằng quạt tích hợp thường được sử dụng cho các biến tần đa dụng dung lượng nhỏ. Bằng cách lắp đặt bộ biến tần đúng cách, khả năng làm mát của quạt tích hợp của bộ biến tần có thể được tối đa hóa. Quạt tích hợp có thể loại bỏ nhiệt bên trong bộ biến tần. Quá trình tản nhiệt cuối cùng được thực hiện qua tấm sắt của hộp biến tần. Phương pháp làm mát chỉ sử dụng quạt tích hợp của bộ biến tần phù hợp với các hộp điều khiển có bộ biến tần riêng biệt và các hộp điều khiển có số lượng thành phần điều khiển tương đối ít. Nếu có nhiều bộ biến tần hoặc các linh kiện điện khác có khả năng tản nhiệt tương đối lớn trong hộp điều khiển biến tần, hiệu ứng tản nhiệt sẽ không rõ ràng.
(2) Làm mát bằng quạt ngoài của bộ biến tần
Bằng cách thêm nhiều quạt có chức năng đối lưu thông gió trong hộp điều khiển nơi bộ biến tần được lắp đặt, hiệu quả tản nhiệt của bộ biến tần có thể được cải thiện đáng kể và nhiệt độ môi trường làm việc của bộ biến tần có thể được giảm bớt. Công suất của quạt có thể được tính bằng cách tản nhiệt của bộ biến tần. Hãy nói về phương pháp lựa chọn chung: Dựa trên kinh nghiệm, chúng tôi tính toán rằng với mỗi 1kW nhiệt sinh ra từ tiêu thụ điện, thể tích xả của quạt là 360m³/h, và mức tiêu thụ điện của biến tần là 4-5% công suất. Ở đây chúng ta tính ở mức 5%, và có thể có mối quan hệ giữa quạt thích nghi với biến tần và công suất của nó: Ví dụ: công suất biến tần là 90 kilowatt, sau đó: thể tích xả quạt (m3/h) = công suất biến tần × 5% × 360m³/giờ/kW = 1620m³/h
Sau đó chọn mẫu quạt của các nhà sản xuất khác nhau theo thể tích khí thải của quạt để chọn loại quạt phù hợp với điều kiện của chúng tôi. Nói chung, làm mát bằng quạt là phương pháp chính để làm mát bằng biến tần ở giai đoạn này, đặc biệt phù hợp với các tủ điều khiển tương đối lớn, và khi các thành phần điện trong tủ điều khiển vừa hoạt động vừa làm nóng cùng lúc. Nó phù hợp với các tủ điều khiển và hộp điều khiển tập trung tích hợp cao. Ngoài ra, nhờ sự phát triển liên tục của công nghệ trong những năm gần đây, quạt tản nhiệt không còn lớn như trước đây, và các quạt nhỏ và mạnh mẽ xuất hiện khắp nơi. Hiệu quả về chi phí cũng tốt hơn nhiều so với các phương pháp làm mát khác.
Trong tủ mở làm mát bằng không khí, việc loại bỏ nhiệt này rất dễ dàng. Tuy nhiên, trong môi trường khắc nghiệt, nơi không thể làm mát quạt lọc hoặc làm mát bằng luồng không khí trực tiếp, việc quản lý nhiệt của vỏ máy trở thành một phần quan trọng trong quy trình thiết kế. Chiến lược là yếu tố thiết yếu để làm mát hiệu quả, thụ động và tiết kiệm các thiết bị đóng kín công suất trung bình và cao trong môi trường khắc nghiệt.
01 Flow hoặc Sealed
Tủ lưu thông không khí mở cho phép không khí xung quanh lưu thông qua tủ, làm mát hiệu quả các mô-đun công suất cao trực tiếp. Tuy nhiên, việc làm mát hiệu quả này có thể dẫn đến các tạp chất bên ngoài xâm nhập vào vỏ máy, và thường được giảm thiểu bằng cách sử dụng hệ thống lọc quạt để lọc không khí đi vào tủ. Bộ lọc giúp giảm bụi và mảnh vụn, nhưng cần được bảo trì định kỳ để làm sạch hoặc thay thế bộ lọc.
Trong các hệ thống này, các linh kiện công suất cao (transistor hai cực cổng cách điện, thyristor giao hoán cổng tích hợp, bộ chỉnh lưu điều khiển silicon) thường được kết nối với một tấm lạnh làm mát bằng chất lỏng. Chất lỏng sau đó thải nhiệt ra không khí xung quanh bằng hệ thống nén hơi hoặc qua bộ trao đổi nhiệt từ chất lỏng sang không khí. Trong cả hai trường hợp, bộ trao đổi nhiệt không khí môi trường cần thiết có thể được đặt bên trong hoặc bên ngoài cơ sở. Nhược điểm chính của các hệ thống này là khó khăn khi đưa chất lỏng vào tủ và dẫn nước làm mát ra vào tủ.
02 Vòng Giữ nhiệt
Ống giữ nhiệt vòng (LTS) là các thiết bị làm mát hai pha điều khiển bằng trọng lực. Chúng hoạt động tương tự như ống dẫn nhiệt, nơi chất lỏng làm việc bay hơi và ngưng tụ trong một vòng kín để truyền nhiệt qua một khoảng cách nhất định. Ưu điểm chính của ống giữ nhiệt vòng so với ống dẫn nhiệt là khả năng sử dụng chất lỏng dẫn điện, cho phép truyền tải công suất cao hiệu quả và khoảng cách xa. Ống hút nhiệt vòng không có bộ phận chuyển động và đáng tin cậy hơn so với các chất làm mát lỏng chủ động, nén hơi hoặc hệ thống làm mát hai pha bơm. Ống giữ nhiệt vòng là lựa chọn lý tưởng để truyền nhiệt thải công suất cao từ các thiết bị điện tử trong tủ ra môi trường bên ngoài tủ.
03 Bộ trao đổi nhiệt vỏ kín
Bình giữ nhiệt vòng là một phương pháp tuyệt vời để loại bỏ lượng lớn nhiệt trực tiếp từ các linh kiện tạo nhiệt cao. Tuy nhiên, tải nhiệt thải của các bộ phận phụ vẫn cần được làm mát. Các linh kiện phụ này, bao gồm nhiều thiết bị tiêu thụ điện năng thấp rải rác khắp tủ, rất khó làm mát bằng tiếp xúc trực tiếp. Đối với các linh kiện tiết kiệm năng lượng, lưu lượng nhiệt thấp, làm mát trực tiếp bằng không khí là phương pháp thực tế nhất. Các linh kiện tiết kiệm năng lượng có thể dễ dàng làm mát bằng bộ trao đổi nhiệt không khí-không khí trong khi vẫn giữ được tính toàn vẹn của lớp kín vỏ.
Trong tổ hợp ống nhiệt vòng và bộ trao đổi nhiệt kín, các transistor hai cực cổng cách điện công suất cao (IGBT) hoặc thyristor tích hợp giao vị cổng (IGCT) được gắn trên tấm lạnh vòng nhiệt, và tải 10 kW cộng với tải nhiệt được tản ra không khí tủ ngoài qua ống nhiệt vòng (xem Hình 2). Tất cả các linh kiện điện tử phụ đều được làm mát bằng bộ trao đổi nhiệt không khí kín, có thể loại bỏ khoảng 1 kW nhiệt thải.
Các máy bơm cấp nước của nhiều nhà máy điện cũng rất mạnh mẽ. Ví dụ, một nhà máy nhiệt điện 2*300MW có bơm cấp nước với công suất 5500KW. Với công suất lớn như vậy, các loại điện áp trung và cao được sử dụng, như 6KV.
Một số máy nghiền bi cũng có công suất tương đối lớn, như máy nghiền bi Ф5500×8500, với công suất động cơ là 4500Kw.
Cũng có một số nhà máy cán lớn với công suất động cơ tương đối lớn, đặc biệt là thiết bị cán nóng. Ví dụ, công suất động cơ của một số nhà máy hoàn thiện là 11.000 kilowatt.
Các phương pháp tản nhiệt chung cho bộ nghịch đảo
Dựa trên cấu trúc hiện tại của bộ nghịch đảo, tản nhiệt thường được chia thành ba loại sau: tản nhiệt tự nhiên, tản nhiệt đối lưu, làm mát bằng chất lỏng và tản nhiệt môi trường bên ngoài.
(I) Tản nhiệt tự nhiên Đối với bộ nghịch đảo công suất nhỏ, tản nhiệt tự nhiên thường được sử dụng. Môi trường sử dụng cần được thông thoáng tốt và không có bụi bẩn cùng các vật thể nổi. Loại biến tần này chủ yếu được sử dụng cho máy điều hòa không khí gia đình, máy công cụ CNC, v.v., với công suất rất thấp và môi trường sử dụng tương đối tốt.
(II) Làm mát bằng đối lưu làm tán nhiệt
Làm mát đối lưu là một phương pháp làm mát phổ biến, như thể hiện trong Hình 2. Cùng với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn, các bộ tản nhiệt thiết bị bán dẫn cũng phát triển nhanh chóng, có xu hướng tiêu chuẩn hóa, tuần tự hóa và tổng quát hóa; trong khi các sản phẩm mới đang phát triển theo hướng khả năng chịu nhiệt thấp, đa chức năng, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và phù hợp cho sản xuất và lắp đặt tự động. Nhiều nhà sản xuất bộ tản nhiệt lớn trên thế giới đã có hàng ngàn dòng sản phẩm, tất cả đều đã được kiểm tra và cung cấp các đường cong điện trở tiêu thụ điện năng cũng như điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn chính xác. Đồng thời, sự phát triển của quạt tản nhiệt cũng diễn ra khá nhanh, thể hiện đặc điểm kích thước nhỏ, tuổi thọ dài, tiếng ồn thấp, tiêu thụ điện năng thấp, thể tích không khí lớn và khả năng bảo vệ cao. Ví dụ, quạt tản nhiệt inverter công suất thấp thường dùng chỉ có kích thước 25mm×25mm×10mm; Quạt SANYO của Nhật Bản có tuổi thọ cao đến 200000h, và mức độ bảo vệ có thể đạt IPX5; cũng có SingaporeQuạt dòng trục khối lượng lớn LEIPOLE,với thể tích xả lên đến 5700m3/h. Những yếu tố này mang lại cho các nhà thiết kế một không gian lựa chọn rất rộng.
Làm mát đối lưu được sử dụng rộng rãi vì các thành phần (quạt, bộ tản nhiệt) sử dụng dễ lựa chọn, chi phí không quá cao, và công suất của bộ nghịch đảo có thể từ hàng chục đến hàng trăm kVA, thậm chí cao hơn (sử dụng các thiết bị song song).
(1) Làm mát bằng quạt tích hợp của bộ biến tần
Làm mát bằng quạt tích hợp thường được sử dụng cho các biến tần đa dụng dung lượng nhỏ. Bằng cách lắp đặt bộ biến tần đúng cách, khả năng làm mát của quạt tích hợp của bộ biến tần có thể được tối đa hóa. Quạt tích hợp có thể loại bỏ nhiệt bên trong bộ biến tần. Quá trình tản nhiệt cuối cùng được thực hiện qua tấm sắt của hộp biến tần. Phương pháp làm mát chỉ sử dụng quạt tích hợp của bộ biến tần phù hợp với các hộp điều khiển có bộ biến tần riêng biệt và các hộp điều khiển có số lượng thành phần điều khiển tương đối ít. Nếu có nhiều bộ biến tần hoặc các linh kiện điện khác có khả năng tản nhiệt tương đối lớn trong hộp điều khiển biến tần, hiệu ứng tản nhiệt sẽ không rõ ràng.
(2) Làm mát bằng quạt ngoài của bộ biến tần
Bằng cách thêm nhiều quạt có chức năng đối lưu thông gió trong hộp điều khiển nơi bộ biến tần được lắp đặt, hiệu quả tản nhiệt của bộ biến tần có thể được cải thiện đáng kể và nhiệt độ môi trường làm việc của bộ biến tần có thể được giảm bớt. Công suất của quạt có thể được tính bằng cách tản nhiệt của bộ biến tần. Hãy nói về phương pháp lựa chọn chung: Dựa trên kinh nghiệm, chúng tôi tính toán rằng với mỗi 1kW nhiệt sinh ra từ tiêu thụ điện, thể tích xả của quạt là 360m³/h, và mức tiêu thụ điện của biến tần là 4-5% công suất. Ở đây chúng ta tính ở mức 5%, và có thể có mối quan hệ giữa quạt thích nghi với biến tần và công suất của nó: Ví dụ: công suất biến tần là 90 kilowatt, sau đó: thể tích xả quạt (m3/h) = công suất biến tần × 5% × 360m³/giờ/kW = 1620m³/h
Sau đó chọn mẫu quạt của các nhà sản xuất khác nhau theo thể tích khí thải của quạt để chọn loại quạt phù hợp với điều kiện của chúng tôi. Nói chung, làm mát bằng quạt là phương pháp chính để làm mát bằng biến tần ở giai đoạn này, đặc biệt phù hợp với các tủ điều khiển tương đối lớn, và khi các thành phần điện trong tủ điều khiển vừa hoạt động vừa làm nóng cùng lúc. Nó phù hợp với các tủ điều khiển và hộp điều khiển tập trung tích hợp cao. Ngoài ra, nhờ sự phát triển liên tục của công nghệ trong những năm gần đây, quạt tản nhiệt không còn lớn như trước đây, và các quạt nhỏ và mạnh mẽ xuất hiện khắp nơi. Hiệu quả về chi phí cũng tốt hơn nhiều so với các phương pháp làm mát khác.