高出力インバーターの熱を最適に放散するにはどうすればいいですか?
ほとんどの高出力インバーターおよび関連する電子部品は、電気キャビネットに統合されています。インバーターはシステムの効率を向上させるだけでなく、インバーター自体の効率も非常に高く、損失はわずか2%から4%にとどまります。しかし、高出力インバータでは大量の電力変換が行われるため、効率損失が低くても数キロワットから数十キロワットの廃熱が発生し、これらを放散しなければなりません。
オープンエア冷房のキャビネットでは、この熱を簡単に取り除くことができます。しかし、フィルター付きのファン冷却や直接風流による冷却が不可能な過酷な環境では、筐体の熱管理が設計プロセスの重要な一部となります。過酷な環境下で中出力および高出力の密閉型筐体ドライブを効率的かつ受動的かつ経済的に冷却するためには、戦略が不可欠です。
01 フローかシールドか
オープンエアフローキャビネットは周囲の空気をキャビネット内に通すことを可能にし、高出力モジュールを直接冷却します。しかし、この効率的な冷却のために外部汚染物質が筐体内に入ることがあり、通常はファンフィルターシステムを使ってキャビネット内に流れ込む空気をろ過することで最小限に抑えられます。フィルターはほこりやゴミを減らすのに役立ちますが、定期的なメンテナンスや清掃や交換が必要です。
これらのシステムでは、高出力部品(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、集積ゲート整流サイリスタ、シリコン制御整流器)は通常、流体冷却冷却板に接続されます。その後、流体は蒸気圧縮システムや液気熱交換器を通じて熱を周囲の空気に放出します。いずれの場合も、必要な環境空気熱交換器は施設の内外に設置可能です。これらのシステムの主な欠点は、キャビネット内に液体を導入し、冷却材をキャビネットに出し入れする際の課題です。
02ループサーモサイフォン
ループサーモサイフォン(LTS)は重力駆動の二相冷却装置です。ヒートパイプと同様に、作動流体が蒸発し閉ループで凝縮し、一定距離にわたって熱を伝達します。ループサーモサイフォンがヒートパイプに比べて持つ主な利点は、導電性の作動流体を使用できる点であり、これにより高出力の効率的かつ長距離の輸送が可能となります。ループサーモサイフォンには可動部品がなく、能動液体冷却剤、蒸気圧縮、ポンプ式二相冷却システムよりも信頼性が高いです。ループサーモサイフォンは、キャビネット内の電力電子機器からキャビネット外の環境へ高出力の廃熱を伝達するのに理想的です。
03 密閉型熱交換器
ループサーモサイフォンは、高熱発生部品から大量の熱を直接除去する優れた方法です。しかし、二次部品の廃熱負荷は依然として冷却が必要です。これらの二次部品は、キャビネット全体に分散した多くの低消費電力デバイスを含め、直接接触による冷却が困難です。これらの低消費電力・低熱流束部品には、直接空気冷却が最も実用的な方法です。低出力部品は空気対空気熱交換器で簡単に冷却でき、エンクロージャーシールの完全性を保つことができます。
ループサーモサイフォンと密閉熱交換器の組み合わせでは、高出力絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)または集積ゲートコミュテーテッドサイリスタ(IGCT)がループサーモサイフォンコールドプレートに搭載され、その10kWの負荷と熱負荷はループサーモサイフォンを通じて外部キャビネットの空気に放散されます(図2参照)。すべての二次電子部品は密閉された空気対空気熱交換器で冷却されており、約1kWの廃熱を除去できます。
多くの発電所の給水ポンプも非常に強力です。例えば、2×300MWの火力発電所には5500KWの給水ポンプがあります。このような大出力では、6KVなどの中高電圧タイプが使用されます。
また、Ф5500×8500ボールミルのように、モーター出力4500kWのボールミルのように比較的大きな出力を持つボールミルもあります。
また、比較的大きなモーター出力を持つ大型圧延工場も存在し、特に熱圧延設備が多いです。例えば、一部の仕上げ工場のモーター出力は11,000キロワットです。
インバーターの一般的な放熱方法
現在のインバーター構造に基づき、熱放散は一般的に自然熱放散、対流熱放散、液体冷却、外部環境熱放散の3種類に分けられます。
(I) 自然な熱放散 小容量インバーターでは、自然な熱放散が一般的に用いられます。使用環境は換気が良く、ほこりや浮遊物がないことが望ましいです。このタイプのインバーターは主に家庭用エアコンやCNC工作機械などで使用され、非常に低消費電力で比較的良好な使用環境が楽しめます。
(II) 対流冷却による熱の放散
対流冷却は一般的に用いられる冷却方法であり、図2に示されています。半導体デバイスの発展に伴い、半導体デバイスのヒートシンクも急速に発展し、標準化、直列化、一般化へと進んでいます。また、低熱抵抗、多機能、小型、軽量化、自動化生産・設置に適した新製品が開発されています。世界の主要なヒートシンクメーカーのいくつかは数千の製品ラインを持ち、すべてテスト済みで、消費電力やヒートシンクの熱抵抗曲線を提供しているため、ユーザーが正確に選択しやすい利便性を提供しています。同時に、熱放散ファンの開発も非常に速く進み、小型化、長寿命、低騒音、低消費電力、大空気量、高い保護性能を示しています。例えば、一般的に使われる低消費電力インバーターの熱放散ファンはわずか25mm×25mm×10mmです。日本のSANYO長寿命ファンは200000時間に達し、保護レベルはIPX5に達します。シンガポールもありますLEIPOLE大容量軸流ファン,排気量は最大5700m3/hです。これらの要素はデザイナーに非常に幅広い選択肢を提供します。
対流冷却が広く使われているのは、使用する部品(ファンやラジエーター)が選びやすく、コストが高すぎず、インバータの容量が数十kVAから数百kVA、あるいは並列ユニット使用時にはそれ以上に及ぶためです。
(1) インバーター内蔵ファンによる冷却
内蔵ファンによる冷却は、一般的に小容量の汎用インバーターに用いられます。インバーターを正しく設置することで、内蔵ファンの冷却能力を最大化できます。内蔵ファンはインバーター内部の熱を奪うことができます。最終的な熱の放散はインバーターボックスの鉄板を通して行われます。インバーター内蔵ファンのみを用いた冷却方法は、独立したインバーターを持つ制御ボックスや比較的制御部品が少ない制御ボックスに適しています。インバーター制御ボックス内に複数のインバーターやその他の電気部品が比較的大きな熱を放散する場合、熱放散効果はあまり明確ではありません。
(2) インバーターの外部ファンによる冷却
インバーターが設置されている制御ボックスに換気対流機能付きのファンを複数設置することで、インバーターの放熱効果が大幅に向上し、作業環境の温度を下げることができます。ファンの容量はインバーターの放熱量によって計算できます。一般的な選択方法について話しましょう。経験に基づくと、消費電力で発生する熱1kWごとにファン排気量は360m³/h、インバーターの消費電力は容量の4〜5%であると計算しました。ここでは5%を計算し、インバーター適応ファンとその容量との関係を得られます。例えば、インバーター出力は90キロワット、するとファン排気量(m3/h)=インバーター容量×5%×360m³/h/kW = 1620m³/h
その後、ファンの排気量に応じてメーカーごとにファンモデルを選択し、条件に合ったファンを選びます。一般的に、この段階ではファン冷却が主なインバーター冷却手段であり、特に比較的大きな制御キャビネットや制御キャビネット内の電気部品が同時に動作し加熱する場合に適しています。高度に統合された中央制御キャビネットや制御ボックスに適しています。さらに、近年の技術の継続的な進歩により、熱放散ファンは以前ほど大きくなくなり、小型から強力なファンが至る所に広がっています。コストパフォーマンスも他の冷却方法よりはるかに優れています。
