Chłodzenie napędów VFD dużej mocy, pracujących w trudnych warunkach środowiskowych

Szafa mieszcząca napęd VFD średniego napięcia
Fot. 1. Szafa mieszcząca napęd VFD średniego napięcia. Źródło: Advanced Cooling Technologies

W przypadku napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) kluczowe jest przeanalizowanie różnych strategii ich wykorzystania, aby osiągnąć maksymalną efektywność działania.

Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD, falowniki) umożliwiają zasilanie i sterowanie dużych i małych silników elektrycznych, wykorzystywanych zarówno w przemyśle, jak również w innych obszarach. Muszą one mieć zabezpieczenia termiczne, odpowiednie dla ich konstrukcji oraz środowiska pracy. Kluczowymi zaletami napędów VFD są: elastyczne sterowanie pracą (w szczególności prędkością) silników, łagodny rozruch i hamowanie silników oraz znaczne oszczędności energii w przypadku silników napędzających wentylatory odśrodkowe i pompy pracujące przy zmiennych obciążeniach. Większość napędów VFD dużej mocy oraz ich wyposażenie elektroniczne jest zintegrowane w obudowach (fot. 1). Napędy VFD zwiększają sprawność systemów oraz same mają wysoką sprawność – straty energii wynoszą w nich od 2% do 4%. Jednak nawet takie straty oznaczają moc cieplną, liczoną od kilowatów do dziesiątek kilowatów, która musi być odprowadzana. Tak duża ilość ciepła jest wynikiem dużej ilości energii elektrycznej przetwarzanej w napędach dużej mocy.

Odprowadzanie tego ciepła w szafie sterowniczej chłodzonej otaczającym powietrzem jest proste. Jednak w trudnych warunkach środowiskowych, które uniemożliwiają wykorzystanie wentylatorów z filtrem lub chłodzenia za pomocą bezpośredniego nadmuchu powietrza, zarządzanie ciepłem w szafach sterowniczych staje się ważną częścią procesu projektowania. Sprawą kluczową jest przeanalizowanie strategii zastosowania wydajnego, pasywnego, a zarazem opłacalnego chłodzenia za pomocą odpowiedniego medium oraz napędów VFD dużej mocy, umieszczonych w szczelnych obudowach i pracujących w trudnych warunkach środowiskowych, aby osiągnąć maksymalną efektywność.

Obudowy umożliwiające przepływ powietrza a obudowy szczelne

Szafy sterownicze ze swobodnym przepływem powietrza pozwalają na przepływ powietrza z otoczenia poprzez szafę. Powietrze to skutecznie i bezpośrednio chłodzi znajdujące się wewnątrz szafy moduły wysokiej mocy. Takie efektywne chłodzenie może jednak powodować wnikanie zanieczyszczeń z zewnątrz do szafy, co często jest minimalizowane przez zastosowanie systemów wentylatorów z filtrem usuwającym zanieczyszczenia z powietrza wpływającego do wewnątrz szafy. Filtry te pomagają zredukować ilość pyłu i zanieczyszczeń, jednak wymagają okresowego serwisowania – czyszczenia lub wymiany.

Szczelne szafy sterownicze nie pozwalają na dopływ powietrza z zewnątrz do środka. Zamiast tego wykorzystują powietrze znajdujące się wewnątrz do chłodzenia elektroniki, natomiast ciepło z tego powietrza jest odprowadzane na zewnątrz za pomocą wymienników ciepła. Szczelne obudowy zapobiegają wnikaniu brudu, pyłu, wilgoci, mgły solnej oraz innych unoszących się w powietrzu substancji powodujących korozję do wewnątrz, co wpływa na żywotność komponentów elektronicznych.

Powyższe systemy działają dobrze w przypadku obudów napędów małej mocy. Jednak w przypadku wielu napędów VFD dużej mocy ilość wydzielającej się energii cieplnej jest wyższa od tej, która może być odprowadzona za pomocą chłodzenia powietrznego. Podzespoły o mniejszej mocy są często chłodzone za pomocą bezpośredniego przepływu powietrza, zaś podzespoły o większej mocy są chłodzone bezpośrednio lub pośrednio wodą z instalacji zakładowej, klimatyzatorów sprężarkowych lub systemów chłodzenia cieczą z pompami. W systemach tych podzespoły wysokiej mocy, takie jak tranzystory IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, insulated-gate bipolar transistors), tyrystory IGCT (tyrystory ze zintegrowanym obwodem komutacji bramką, integrated gate commutated thyristors), tyrystory SCR (tyrystory triodowe blokujące wstecznie, silicon-controlled rectifiers), są typowo przymocowane do płyty chłodzącej (radiatora wodnego, cold plate) cieczowego układu chłodzenia. Ciecz chłodząca odprowadza ciepło do otaczającego szafę powietrza za pomocą klimatyzatora sprężarkowego lub wymiennika ciepła ciecz-powietrze. W każdym z tych przypadków wymagane wymienniki ciepła dla otaczającego powietrza mogą być zlokalizowane wewnątrz lub na zewnątrz szafy.

Główną wadą tych systemów są problemy związane z wprowadzaniem płynu chłodzącego do szaf sterowniczych oraz sztywnymi rurami hydraulicznymi biegnącymi do szaf i z szaf.

termosyfon pętlowy jest wyposażony w wymiennik ciepła powietrze-powietrze

Termosyfony pętlowe jako alternatywa dla aktywnego chłodzenia cieczą

Termosyfony pętlowe (loop thermosyphons – LTS) są sterowanymi grawitacyjnie dwufazowymi urządzeniami chłodzącymi. Działają częściowo w podobny sposób jak rura cieplna – płyn roboczy jest odparowywany i skraplany w zamkniętej pętli w celu przenoszenia ciepła na daną odległość. Główną zaletą termosyfonów pętlowych w porównaniu do rur cieplnych jest ich zdolność do efektywnego przenoszenia dużej energii cieplnej na duże dystanse, przy wykorzystaniu dielektrycznych płynów roboczych. W porównaniu do aktywnego chłodzenia cieczą, klimatyzatorów sprężarkowych czy dwufazowych systemów chłodzenia z pompą, termosyfony pętlowe nie mają żadnych części ruchomych, a dzięki temu cechuje je większa niezawodność. Termosyfony te są dobrze przystosowane do odprowadzania dużych ilości ciepła z układów energoelektronicznych znajdujących się wewnątrz szaf sterowniczych do radiatorów znajdujących się na zewnątrz.

Korzyści z systemów chłodzenia z termosyfonami pętlowymi na poziomie szaf sterowniczych są znaczące. Szafa, elektronika oraz układ chłodzenia mogą być złożone w szczelną, wolnostojącą obudowę u producenta szaf sterowniczych. Każda szafa jest niezależna, może być dostarczona i łatwo zainstalowana u klienta końcowego. Najprostszą realizacją tej koncepcji jest chłodzony powietrzem skraplacz termosyfonu pętlowego, umieszczony na górze szafy sterowniczej. Dzięki takiemu rozwiązaniu szafa ta jest niezależna i wymaga jedynie podłączeń elektrycznych podczas instalacji końcowej.

Skraplacz termosyfonu pętlowego może być podłączony do zakładowej instalacji wodnej lub wody lodowej. Dzięki temu ciepło jest odprowadzane dalej z szafy i wielu szaf, aby układ chłodzenia działał w jednej pętli. Przy wykorzystaniu termosyfonu pętlowego i skraplacza wody lodowej podłączenia hydrauliczne i wodne znajdują się na zewnątrz szafy, oddzielając czynnik chłodniczy od elektroniki.

Termosyfony pętlowe a wymienniki ciepła dla szczelnych obudów

Termosyfon pętlowy doskonale nadaje się do odprowadzania dużych ilości energii bezpośrednio z podzespołów mocy falownika wydzielających dużo ciepła. Jednak ciepło resztkowe z podzespołów wtórnych falownika także musi być odprowadzone. Podzespoły te to wiele urządzeń o mniejszej mocy rozproszonych po całej szafie sterowniczej. Sprawia to, że ich bezpośrednie chłodzenie stykowe jest trudne. Dla tych podzespołów o mniejszej mocy, wydzielających mniej ciepła, bezpośrednie chłodzenie powietrzne jest najbardziej praktycznym podejściem. Podzespoły o mniejszej mocy mogą być łatwo chłodzone za pomocą wymiennika ciepła powietrze-powietrze, jednocześnie utrzymywana jest integralność szczelności obudowy.

W kombinowanym układzie chłodzenia: termosyfon pętlowy/uszczelniony wymiennik ciepła powietrze-powietrze, tranzystory IGBT lub tyrystory IGCT wysokiej mocy są zamontowane na płycie chłodzącej termosyfonu. Wydzielające się w nich ciepło o mocy liczonej w dziesiątkach kW jest odprowadzane za pomocą termosyfonu do powietrza otaczającego szafę (rys. 1). Wszystkie pozostałe układy elektroniczne o mniejszej mocy są chłodzone za pomocą szczelnego wymiennika ciepła powietrze-powietrze, który może odprowadzić od 1 do kilku kW mocy cieplnej.

Zastosowanie kombinacji termosyfon pętlowy/uszczelniony wymiennik ciepła powietrze-powietrze pozwala na zachowanie oryginalnego stopnia ochrony NEMA szafy sterowniczej. Kombinacja ta pozwala szafom mieszczącym napędy dużej mocy na zachowanie szczelności powietrznej. Nie jest wymagany przepływ ciekłego czynnika chłodzącego w szafie.

Kombinacja termosyfon pętlowy/uszczelniony wymiennik ciepła powietrze-powietrze daje wiele korzyści w aplikacjach chłodzenia w energoelektronice. Termosyfon pętlowy pasywnie odprowadza duże ilości ciepła wydzielającego się w komponentach elektronicznych dużej mocy, wykorzystując dielektryczne płyny robocze, które są dobrze dopasowane do aplikacji średniego i wysokiego napięcia. Elementy chłodzące dla szczelnych obudów mają również możliwość odprowadzania ciepła z rozproszonych podzespołów o mniejszej mocy, znajdujących się w szafach sterowniczych, jednocześnie zapobiegając wnikaniu zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu otaczającym szafę do jej wnętrza i w konsekwencji ich negatywnemu oddziaływaniu na te podzespoły. Kombinacja opisanych dwóch rozwiązań chłodzenia stanowi niezawodne rozwiązanie chłodzenia pasywnego falowników dużej mocy, instalowanych w szczelnych obudowach, wymaganych dla pracy w trudnych warunkach środowiskowych.


Scott Garner jest wiceprezesem ds. rozwoju produktów strategicznych, Devin Pellicone jest głównym inżynierem, a Richard Bonner – kierownikiem zespołu ds. produktów na zamówienie klienta w firmie Advanced Cooling Technologies.