Управљање "Термалним дерирањем" у инверторима велике снаге: Анализирање ефекта острукције проток ваздуха у ормарима.

Увод у топлотне стресе у енергетској електроници

У свету Б2Б електротехнике, топлота је највећа претња поузданости, ефикасности и трајању енергетске електронике. Инвертори велике снаге, који конвертују струју ЦЦ из батеријских банака или фотоелектричких матрица у високонапонски ЦА, садрже високобрзе полупроводнике, микропроцесоре и бакарне намотке. Током рада, ове компоненте генеришу значајне количине отпадне топлоте.

Да би заштитили своје унутрашње кола од трајног топлотног оштећења, модерни инвертори велике снаге користе безбедносну функцију познату као "Термал Дератинг". Када унутрашња температура инвертора пређе критичан праг, уређај аутоматски смањује своју максималну струју променљивог напона. Иако то спречава уништење хардвера, то може изазвати озбиљне поремећаје у индустријским објектима, што може довести до неочекиваног искључења машине или губитка производње соларних уређаја.

Овај чланак пружа техничку анализу топлотне дерације и анализира утицај препреке проток ваздуха у електричним ормарима и кућама.

Питање: Шта је "Термал Дератинг" у инверторима велике снаге и како ометање проток ваздуха унутар електричних ормара утиче на перформансе?

Термичко дератирање је механизам за заштитну контролу у којем инверторски микропроцесор динамички смањује своју максималну излазну струју ЦА како би спречио да његови унутрашњи полупроводници (као што су ИГБТ и МОСФЕТ) пређу своју сигурну температуру за збир. Острукање проток ваздуха унутар електричних ормара убрзава овај процес спречавањем распадања топлоте, што доводи до локализованог акумулације топлоте, брзог пораста температуре ормара и прераног понижавања инвертора. Да би се ово решило, интегратори система морају израчунати топлотне оптерећења затвора, величину активних вентилатора за излаз и имплементирати чисте путеве проток ваздуха користећи напредне принципе топлотног управљања JYINS-а.

Физика генерације топлоте и полупроводничких зглобова

Да бисмо разумели топлотну дерацију, морамо погледати генерацију топлоте унутар силицијумских полупроводника инвертора. Када инвертор конвертира снагу, доживљава унутрашње губитке. Ови губици углавном се састоје од губитака проводности (због унутрашњег отпора МОСФЕТ-а / ИГБТ-а) и губитака преласка (који се јављају када транзистори укључе и искључе хиљаде пута у секунди).

Ови електрични губици се директно претварају у топлоту. Ова топлина повећава температуру унутрашњег силицијумског слоја полупроводника, познату као температура уједињења (Tj). За индустријске силиканске полупроводнике, максимална безбедна температура зглоба је обично између 125 степени Целзијуса и 150 степени Целзијуса.

Ако температура споја пређе ову физичку границу, силицијум ће проћи кроз топлотну бегу, што ће довести до катастрофалне физичке уништења транзистора. Да би се то спречило, унутрашњи сензори инвертора континуирано прате температуру топлотнице (Th) и израчунавају температуру уједињења у реалном времену.

Када температура грејача пређе унапред програмирани праг (обично око 45 степени Целзијуса до 55 степени Целзијуса у зависности од модела), контролна петља инвертора покреће топлотну дерасирање. Микропроцесор смањује радни циклус прелазне фреквенције, што смањује максималну излазну струју ЦА. За сваки степен повећања изнад прага, максимална доступна снага инвертора опада линеарно (нпр. смањење за 2% номиналне капацитете по степени Целзијуса).

Утјецај препреке ваздушног проток у кабинету

У индустријским окружењима, инвертори велике снаге скоро увек су инсталирани унутар заштитних металних кућа или контролних ормара како би их заштитили од прашине, влаге и неовлашћеног приступа. Међутим, затварање инвертора ствара микро-климату. Без одговарајуће топлотне конструкције, ормарић делује као пећница.

Острукање проток ваздуха унутар ормара је главни покретач прераног топлотног дератирања. Острукција се јавља на неколико начина:

• Неуравнотежено димензионирање излучног и уносног ваздуха: Да би топли ваздух напустио ормару, мора ући хладан ваздух. Ако је у ормару одгасни вентилатор са високим КФМ-ом (кубични стопали у минуту), али има мале или блокиране вентилационе отвори, вентилатор ће се борити против статичког притиска, што ће резултирати драматичним смањењем стварног проток ваздуха.
• Запуштени филтри прашине: Индустријске радионице су пуне честица у ваздуху, металне прашине и плинчића. Временом, ове честице се акумулишу на филтрима за уношење. Запушени филтер може ограничити проток ваздуха до 80% до 90%, што доводи до тога да унутрашња температура кабинета у року од неколико минута од рада инвертора са великим оптерећењем.
• Лоша поставка компоненти: топлота се повећава. Ако је инвертор физички монтиран близу других компоненти које генеришу топлоту (као што су пуњачи батерија, линијски реактори или трансформатори снаге) унутар ормара, он ће узимати унапрежен ваздух, смањујући способност топлотног распршивања топлоте. Осим тога, ако нема довољно прозорца око улаза и излучних отворима инвертора (обично захтева најмање 150 мм слободног простора), ваздух ће се рециркулисати локално, формирајући џепове топлог ваздуха.

Израчунавање услова ЦФМ за топлотну оптерећење и кутију

Да би се спречило топлотно деригацију, интегратори система морају израчунати потребну брзину проток ваздуха (ЦФМ) за распршивање топлоте коју ствара инвертор. Потребна формула је:

ЦФМ = (3,16 П_пораст) / делта_Т

Где:

• P_loss је стопа распадања топлоте (отпадна топлота) свих компоненти унутар кабинета, измерена у ватима. Ово се израчунава на основу ефикасности конверзије инвертора. За инвертор од 10 kW који ради са ефикасношћу од 93%, губитак топлоте је 7% од 10 kW, што је једнако 700 Ватта.
• delta_T је дозвољено повећање температуре унутар ормара у односу на температуру спољашње околине, измерена у степенима Фаренхајта (T_inside - T_outside).

На пример, ако је максимална спољна температура окружења 95 степени Фаренхајт (35 степени Целзијуса), а желимо да ограничимо температуру унутрашњег ормара на 113 степени Фаренхајт (45 степени Целзијуса) како бисмо спречили дерацију, дозвољени пораст температуре (делта_Т) је:

113 - 95 = 18 степени Фаренхајта.

Коришћењем формуле, потребна стопа проток ваздуха је:

ЦФМ = (3,16 700 Ватт) / 18 = 122,8 ЦФМ.

Да би се осигурало поуздано функционисање у реалним условима, инжењери би требали изабрати вентилатор за испаљивање који има номинални капацитет од најмање 150 CFM како би се узело у обзир ограничење филтера за прашину и губитак статичког притиска.

Инжењерске смернице за топлотне управљање кабинетом

За решавање проблема са топлотним дератирањем, системски интегратори треба да примењују следеће најбоље инжењерске праксе:

• 1. у вези са Поддржите чисту физичку прозорницу: Умјестите инвертор у доњи, хладнији део ормара. Уверите се да постоји најмање 150 до 300 мм слободног простора око инверторских уграђених фантова за хлађење и просветљења како би се спречило локално ограничење проток ваздуха.
• 2. Уколико је потребно. Уведите присилну вентилацију: Користите висококвалитетне издувне вентилаторе са куглицама који су постављени близу горње стране кућа како бисте извукли топли ваздух, а на дну поставите люке/отворе за увлачење хладног ваздуха. Ово користи природну конвекцију (подизање топлоте) како би се максимизовала ефикасност хлађења.
• 3. Уколико је потребно. Успостави строг распоред одржавања: У прашној средини, распоредите месечно или тромесечно чишћење свих филтера за унос кабинета. Користите полиуретане филтере који се могу перети и чистити компресираним ваздухом.
• 4. Уколико је потребно. Изаберите инверторе са прекомерном распадањем топлоте: Инвертори велике снаге JYINS дизајнирани су за сурова индустријска окружења. Они користе тешке, прекомерне алуминијумске грејаче са широким размаком између пепељака како би спречили акумулацију прашине. У комбинацији са интелигентним, беспечљеним ДЦ фанцима за хлађење променљиве брзине који раде само на пуној брзини када се Tj повећава, ЈИИНС јединице пружају максималне топлотне маржине, одлагајући почетак топлотне дерације чак и у затвореном ормару

Zaključak

Термичко дерирање је суштинска безбедносна карактеристика која штити инверторе велике снаге од катастрофалних неуспјеха полупроводника, али његово прерано активирање због препрека ваздушног проток кабинета може озбиљно пореметити индустријске операције Б2Б. Разумевањем физике губитка топлоте полупроводника, израчунавањем тачних захтева за ЦФМ и имплементацијом оптимизованих путника присилног ваздуха, системски интегратори могу одржавати хладно радно окружење. Спецификовање снажних индустријских инвертора JYINS са супериорним уграђеним топлотним инжењерством је последњи корак за обезбеђивање максималне континуиране испоруке енергије, чак и под најзахтљивијим топлотним условима.