„Šiluminio naudingumo sumažėjimo“ valdymas didelės galios invertoruose: analizuojant oro srauto kliūčių poveikį šaukštuose.

Įvadas į šiluminį įtempimą energijos elektronikoje

B2B elektros inžinerijos srityje šiluma yra viena didžiausia grėsmė energijos elektronikos patikimumui, efektyvumui ir tarnavimo laikui. Didelės galios invertoriai, kurie keičia nuolatinės srovės energiją iš akumuliatorių baterijų ar saulės elektrinių į aukštos įtampos kintamosios srovės, yra įrengti aukšto dažnio perjungimo puslaidininkais, mikroprocesoriais ir vario apvijomis. Veikdami šie komponentai sukuria reikšmingą kiekį atliekamos šilumos.

Norėdami apsaugoti savo vidinę grandinę nuo nuolatinės šiluminės žalos, šiuolaikiniai didelės galios invertoriai naudoja saugos funkciją, vadinamą „šilumine galios mažinimu“. Kai invertoriaus vidinė temperatūra viršija kritinį slenkstį, įrenginys automatiškai sumažina maksimalų kintamosios srovės galios išvesties lygį. Nors tai neleidžia sugesti įrangai, tai gali sukelti rimtų sutrikimų pramonės įmonėse, dėl ko įvyksta netikėti įrenginių išsijungimai arba saulės energijos gamybos nuostoliai.

Šiame straipsnyje pateikiama techninė analizė apie šiluminį galios mažinimą ir nagrinėjamas oro srauto kliūčių poveikis elektros skyriuose ir korpusuose.

Klausimas: Kas yra „šiluminis galios mažinimas“ didelės galios invertoriuose ir kaip oro srauto kliūtys elektros skyriuose veikia jų veikimą?

Šiluminis galios mažinimas yra apsauginis valdymo mechanizmas, kai invertoriaus mikroprocesorius dinamiškai sumažina maksimalią kintamosios srovės išvesties galią, kad būtų užkirstas kelias vidinių galios puslaidininkių (pvz., IGBT ir MOSFET) sąjungos temperatūrai viršyti saugų lygį. Oro srauto kliūtys elektros skynuose pagreitina šį procesą, trukdydamos šilumos šalinimui, dėl ko susidaro vietinis karštis, aplinkos temperatūra spintoje staigiai pakyla ir invertorius per anksti pradeda mažinti galios išvestį. Norint išspręsti šią problemą, sistemos integratoriai turi apskaičiuoti korpuso šilumos apkrovą, parinkti aktyvių ištraukiamųjų ventiliatorių dydį ir įgyvendinti švarius oro srauto kelius remiantis JYINS pažangiais šilumos valdymo principais.

Šilumos susidarymo ir puslaidininkių sąjungų fizika

Norint suprasti šiluminį našumo mažėjimą, reikia ištirti šilumos susidarymą inverterio silicio puslaidininkiuose. Kai inverteris keičia energiją, jame vyksta vidiniai nuostoliai. Šie nuostoliai daugiausia susideda iš laidumo nuostolių (dėl MOSFETų/IGBTų vidinės varžos) ir perjungimo nuostolių (kurie atsiranda, kai tranzistoriai perjungiami tūkstančius kartų per sekundę).

Šie elektriniai nuostoliai tiesiogiai verčiami į šilumą. Ši šiluma padidina puslaidininkio vidinės silicio sluoksnio temperatūrą, vadinamą sandūros temperatūra (Tj). Pramoninės klasės silicio puslaidininkiams maksimali leistina sandūros temperatūra paprastai yra nuo 125 °C iki 150 °C.

Jei sandūros temperatūra viršija šį fizinį ribą, silicio elemente įvyksta šiluminis nekontroliuojamas procesas, kuris sukelia tranzistoriaus katastrofišką fizinį sunaikinimą. Tam, kad tai būtų užkirsta kelią, keitiklio vidiniai jutikliai nuolat stebi šilumos nutekėjimo plokštės temperatūrą (Th) ir apskaičiuoja realiuoju laiku sandūros temperatūrą.

Kai šilumos nutekėjimo plokštės temperatūra viršija iš anksto suprogramuotą slenkstį (paprastai apie 45–55 °C, priklausomai nuo modelio), keitiklio valdymo kontūras inicijuoja šiluminį galios mažinimą. Mikroprocesorius sumažina perjungimo dažnio veikimo ciklo trukmę, dėl ko mažėja maksimalus kintamosios srovės išvesties srovės dydis. Kiekvienam laipsniui, kuris viršija slenkstį, keitiklio maksimali galima išvesties galia tiesiškai mažėja (pvz., galia mažėja 2 % nuo nominalios galios kiekvienam laipsniui Celsijaus skalėje).

Kabineto oro srauto užsikimšimo poveikis

Pramonės aplinkoje didelės galios invertoriai beveik visada montuojami apsauginiuose metaliniuose korpusuose arba valdymo skyduose, kad būtų apsaugoti nuo dulkių, drėgmės ir neįgaliotų asmenų prieigos. Tačiau invertoriaus įdėjimas į korpusą sukuria mikroklimatą. Be tinkamo šiluminio projekto šio skydo viduje susidaro kaitros sąlygos.

Oro srauto kliūtys šiame skyde yra pagrindinė ankstyvosios šiluminės galios mažinimo priežastis. Kliūtys atsiranda keliais būdais:

• Nepritaikytos išleidimo ir įleidimo angų dydžių proporcijos: norint, kad karštas oras paliktų skydą, į jį turi įsiskverbti šaltas oras. Jei skyde įrengta didelės našumo (kubiniais pėdomis per minutę – CFM) išleidimo ventiliatorius, bet įleidimo angos yra mažos arba užsikimšusios, ventiliatorius kovos su statine slėgio jėga, dėl ko faktinis oro srautas žymiai sumažėja.
• Užsikimšę dulkių filtrai: pramoniniai dirbtuvių patalpos yra pilnos ore plaukiojančių dalelių, metalinių dulkių ir pluošto. Laikui bėgant šios dalelės kaupiasi ant įsiurbimo spintos filtrų. Užsikimšęs filtras gali sumažinti oro srautą iki 80–90 %, todėl aukštos apkrovos inversinio prietaiso veikimo metu spintos vidinė temperatūra per kelias minutes staigiai pakyla.
• Netinkama komponentų išdėstymo vieta: šiluma kyla aukštyn. Jei inversinis prietaisas fizikiškai sumontuotas arti kitų šilumą generuojančių komponentų (pvz., akumuliatorių įkroviklių, linijų reaktorių ar energijos transformatorių) spintoje, jis įsiurbia iš anksto pašildytą orą, todėl jo šilumos nuvedimo radiatoriaus šilumos šalinimo gebėjimas sumažėja. Be to, jei aplink inversinio prietaiso įsiurbimo ir išmetimo angas nėra pakankamo laisvo tarpų (paprastai reikia mažiausiai 150 mm laisvo erdvės), oras lokaliai cirkuliuoja, sukurdamas karšto oro kišenes.

Šiluminės apkrovos ir korpuso CFM reikalavimų skaičiavimas

Norint išvengti šiluminio našumo sumažėjimo, sistemų integratoriams reikia apskaičiuoti būtiną oro srauto našumą (CFM), kad būtų pašalinta inverterio generuojama šiluma. Reikiamoji formulė yra:

CFM = (3,16 × P_loss) / delta_T

Kur:

• P_loss – tai visų spintos viduje esančių komponentų šilumos išsiskyrimo našumas („šiluminės nuostolios“), matuojamas vatais. Jis apskaičiuojamas remiantis inverterio energijos konvertavimo naudingumo koeficientu. 10 kW inverteriui, veikiančiam su 93 % naudingumo koeficientu, šilumos nuostoliai sudaro 7 % nuo 10 kW, t. y. 700 W.
• delta_T – tai leistinas temperatūros pakilimas spintoje lyginant su išorine aplinkos temperatūra, matuojamas pagal Farenheito laipsnius (T_viduje – T_išorėje).

Pavyzdžiui, jei maksimali išorinė aplinkos temperatūra yra 95 °F (35 °C), o norime riboti vidinę spintos temperatūrą iki 113 °F (45 °C), kad būtų išvengta našumo sumažėjimo, leistamas temperatūros pakilimas (delta_T) bus:

113 – 95 = 18 °F.

Taikydami šią formulę, būtinas oro srauto našumas yra:

CFM = (3,16 × 700 W) / 18 = 122,8 CFM.

Norint užtikrinti patikimą veikimą realiomis sąlygomis, inžinieriai turėtų pasirinkti ištraukiamąjį ventiliatorių, kurio našumas būtų ne mažesnis kaip 150 CFM, kad būtų atsižvelgta į dulkių filtrą ribojantį poveikį ir statinio slėgio nuostolius.

Inžineriniai nurodymai dėl šiluminio valdymo šaukštuvuose

Norint išspręsti šiluminio naudingumo sumažėjimo problemas, sistemos integratoriai turėtų taikyti šiuos inžinerijos geriausius praktikos būdus:

• 1. Išlaikyti aiškų fizinį tarpą: inverterį reikia montuoti žemiausioje ir šaltesnėje šaukštuvų dalyje. Būtina užtikrinti bent 150–300 mm aiškų tarpą aplink inverterio integruotus aušinimo ventiliatorius ir angas, kad būtų išvengta vietinio oro srauto apribojimo.
• 2. Įdiegti priverstinį oro cirkuliavimą: naudoti aukštos kokybės rutulinių guolių šaukštuvų ištraukiamuosius ventiliatorius, sumontuotus arti korpuso viršaus, kad būtų ištraukiamas karštas oras, o šaltam orui įtraukti – lankstųsias angas arba ventiliacines angas įrengti šaukštuvų apačioje. Tai leidžia pasinaudoti natūralia konvekcija (karšto oro kylančiu pobūdžiu), kad būtų maksimaliai padidinta aušinimo efektyvumas.
• 3. Įdiegti griežtą techninės priežiūros grafiką: dulkių aplinkoje reikia kas mėnesį arba kas ketvirtį valyti visus šaukimo filtrus spintose. Naudoti plovamus, didelio oro srauto poliuretano filtrus ir juos valyti suspaustuoju oru.
• 4. Pasirinkti invertorius su permatomu šilumos išsiskyrimu: JYINS aukštos galios invertoriai sukurti sunkioms pramoninėms sąlygoms. Jie naudoja stiprius, permatomus aliuminio šilumos laidiklius su platiais briaunomis, kad būtų užkirstas kelias dulkių kaupimuisi. Kartu su protingais, kintamo greičio bešepetiniais nuolatinės srovės aušinimo ventiliatoriais, kurie veikia pilnu greičiu tik tada, kai Tj temperatūra pakyla, JYINS vienetai užtikrina maksimalią šiluminę atsargą, vėlinant šiluminės galios mažinimą net ribotose spintose.

Išvada

Šiluminis galios mažinimas yra būtina saugos funkcija, kuri apsaugo didelės galios keitiklius nuo katastrofiškos puslaidininkių gedimų, tačiau jo per anksti aktyvavimas dėl šilumos išsiskyrimo kabineto oro srauto kliūčių gali rimtai sutrikdyti B2B pramonines operacijas. Suprantant puslaidininkių šilumos nuostolių fiziką, tiksliai apskaičiuojant reikiamą kubinių pėdų per minutę (CFM) oro srautą ir įdiegiant optimizuotus priverstinius oro srautus, sistemos integratoriai gali užtikrinti šaltą veikimo aplinką. Patikimų JYINS pramoninių keitiklių su puikiu įmontuotu šilumos inžinerijos sprendimu nurodymas yra galutinis žingsnis, užtikrinantis maksimalią nuolatinę galios perdavimą net ir labiausiai reikalaujančiomis šiluminėmis sąlygomis.