معظم العاكسات عالية الطاقة ومكوناتها الإلكترونية المرتبطة مدمجة في الخزائن الكهربائية. لا تحسن المحولات كفاءة النظام فحسب، بل إن كفاءة العاكس نفسه عالية جدا، مع فقدان يتراوح بين 2٪ إلى 4٪ فقط. ومع ذلك، وبسبب الكمية الكبيرة من تحويل الطاقة في العاكسات عالية الطاقة، حتى لو كان فقدان الكفاءة منخفضا، فإن ذلك سيؤدي إلى توليد حرارة مهدرة تتراوح بين عدة كيلوواط إلى عشرات الكيلوواط والتي يجب تبديدها.
في الخزائن المفتوحة المبردة بالهواء، من السهل إزالة هذه الحرارة. ومع ذلك، في البيئات القاسية حيث لا يمكن تبريد المروحة المفلترة أو التبريد عبر تدفق الهواء المباشر، تصبح الإدارة الحرارية للغلاف جزءا مهما من عملية التصميم. الاستراتيجيات ضرورية لتبريد محركات الإغلاق المتوسطة والعالية الطاقة بكفاءة وسلبية واقتصادية في البيئات القاسية.
تسمح خزائن تدفق الهواء المفتوحة بتدفق الهواء المحيط عبر الخزانة، مما يبرد وحدات الطاقة العالية بشكل فعال. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي هذا التبريد الفعال إلى دخول ملوثات خارجية إلى الحاوية، والتي عادة ما يتم تقليلها باستخدام نظام فلتر المروحة لترشيح الهواء المتدفق. تساعد الفلاتر في تقليل الغبار والحطام، لكنها تتطلب صيانة منتظمة لتنظيف أو استبدال الفلاتر.
في هذه الأنظمة، تكون المكونات عالية القدرة (ترانزستورات ثنائية القطب المعزولة بالبوابة، الثايرستورات المتغيرة المتكاملة مع البوابة، المقومات التي تتحكم بها السيليكون) عادة ما تكون متصلة بلوح بارد مبرد بالسائل. ثم يرفض السائل الحرارة إلى الهواء المحيط باستخدام نظام ضغط البخار أو عبر مبادل حراري سائل إلى هواء. في كلتا الحالتين، يمكن أن يكون المبادل الحراري المحيط المطلوب داخل أو خارج المنشأة. العيب الرئيسي لهذه الأنظمة هو التحديات في إدخال السوائل إلى الخزانة وإدخال سائل التبريد داخل وخارج الخزانة.
الثيرموسيفونات الحلقية (LTS) هي أجهزة تبريد ثنائية الطور تعمل بالجاذبية. تعمل بطريقة مشابهة لأنابيب الحرارة، حيث يتبخر السائل العامل ويتكاثف في حلقة مغلقة لنقل الحرارة عبر مسافة معينة. الميزة الرئيسية لأجهزة الترموسفونات الحلقية مقارنة بأنابيب الحرارة هي القدرة على استخدام سائل عامل موصل، مما يسمح بنقل عالي الطاقة بكفاءة لمسافات طويلة. الثيرموسيفونات الحلقية لا تحتوي على أجزاء متحركة وهي أكثر موثوقية من مبردات السائل النشطة، أو ضغط البخار، أو أنظمة التبريد ثنائية الطور التي تضخ. الثيرموسيفونات الحلقية مثالية لنقل الحرارة المهدرة عالية الطاقة من الإلكترونيات الكهربائية في الخزانة إلى البيئة خارج الخزانة.
تعد الثيرموسيفونات الحلقية طريقة ممتازة لإزالة كميات كبيرة من الحرارة مباشرة من المكونات المولدة للحرارة العالية. ومع ذلك، لا يزال الحمل الحراري المهدر للمكونات الثانوية بحاجة إلى التبريد. هذه المكونات الثانوية، بما في ذلك العديد من الأجهزة منخفضة الطاقة المنتشرة في جميع أنحاء الخزانة، يصعب تبريدها عند الاتصال المباشر. بالنسبة لهذه المكونات منخفضة الطاقة وانخفاض تدفق الحرارة، يعد التبريد المباشر للهواء هو الطريقة الأكثر عملية. يمكن تبريد المكونات منخفضة الطاقة بسهولة بواسطة مبادلات حرارة هواء-هواء مع الحفاظ على سلامة ختم الحاوية.
في تركيبة الثيرموسيفون الحلقي ومبادل الحرارة المغلق، يتم تركيب ترانزستورات ثنائية القطب عالية القدرة (IGBTs) أو الثايرستورات المتنقلة بالبوابة المدمجة (IGCTs) على لوحة الباردة الدائرية، ويتم تبديد حملها البالغ 10 كيلوواط بالإضافة إلى حرارة إلى هواء الخزانة الخارجية عبر الثيرموسيفون الحلقي (انظر الشكل 2). جميع المكونات الإلكترونية الثانوية تبرد بواسطة مبادل حراري هواء إلى هواء مغلق، يمكنه إزالة حوالي 1 كيلوواط من الحرارة المهدرة.
مضخات إمداد المياه في العديد من محطات الطاقة قوية جدا أيضا. على سبيل المثال، محطة الطاقة الحرارية التي تبلغ 2*300 ميجاوات تحتوي على مضخة إمداد مياه بقدرة 5500 كيلوواط. مع هذه القدرة الكبيرة، تستخدم أنواع الجهد المتوسط والعالي مثل 6KV.
بعض مطاحن الكرات تمتلك أيضا قوة كبيرة نسبيا، مثل مطحنة الكرات Ф5500×8500 التي تبلغ قوة محركها 4500 كيلوواط.
هناك أيضا بعض مطاحن الدرفلة الكبيرة ذات قوة محرك كبيرة نسبيا، خاصة معدات الدرفلة الساخنة. على سبيل المثال، قوة محرك بعض مطاحن التشطيب هي 11,000 كيلوواط.
طرق عامة لتبديد الحرارة للمحولات
استنادا إلى الهيكل الحالي للمحولات، يمكن تقسيم تبديد الحرارة عموما إلى ثلاثة أنواع كالتالي: تبديد الحرارة الطبيعي، تبديد الحرارة بالحمل الحراري، التبريد السائل، وتبديد الحرارة في البيئة الخارجية.
(1) تبديد الحرارة الطبيعي للمحولات ذات السعة الصغيرة، يستخدم عادة تبديد الحرارة الطبيعي. يجب أن تكون بيئة الاستخدام جيدة التهوية وخاليا من الغبار والأشياء الطافية. يستخدم هذا النوع من العاكس غالبا في مكيفات الهواء المنزلية، وأدوات الماكينات CNC، وغيرها، مع طاقة منخفضة جدا وبيئة استخدام جيدة نسبيا.
(II) التبريد بالحمل الحراري يبدد الحرارة
التبريد بالحمل الحراري هو طريقة تبريد شائعة، كما هو موضح في الشكل 2. مع تطور أجهزة أشباه الموصلات، تطورت مشتتات الحرارة لأجهزة أشباه الموصلات بسرعة أيضا، مع توجه إلى التوحيد القياسي والتسلسل والتعميم؛ بينما تتطور منتجات جديدة باتجاه مقاومة حرارية منخفضة، متعددة الوظائف، صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، ومناسبة للإنتاج والتركيب الآلي. تمتلك العديد من الشركات الكبرى المصنعة للمشتتات الحرارية في العالم آلاف السلاسل من المنتجات، جميعها تم اختبارها وتوفر منحنيات استهلاك الطاقة ومقاومة الحرارة لمشتت الحرارة، مما يوفر سهولة للمستخدمين للاختيار بدقة. وفي الوقت نفسه، فإن تطوير مراوح تبديد الحرارة سريع جدا، حيث يظهر خصائص الحجم الصغير، وعمر الخدمة الطويل، والضوضاء المنخفضة، واستهلاك الطاقة المنخفض، وحجم الهواء الكبير، والحماية العالية. على سبيل المثال، مروحة تبديد الحرارة العاكس منخفضة الطاقة المستخدمة عادة هي فقط 25مم×25مم×10مم؛ يمكن لمروحة SANYO اليابانية طويلة العمر أن تصل إلى 200000 ساعة، ومستوى الحماية يصل إلى IPX5؛ هناك أيضا سنغافورةمروحة التدفق المحوري ذات حجم الهواء الكبير LEIPOLE,بحجم عادم يصل إلى 5700 متر مكعب/س. توفر هذه العوامل للمصممين مساحة خيارات واسعة جدا.
يستخدم التبريد بالحمل الحراري على نطاق واسع لأن المكونات (المراوح، المشعات) المستخدمة سهلة الاختيار، والتكلفة ليست مرتفعة جدا، وسعة العاكس يمكن أن تتراوح من عشرات إلى مئات الكيلو فولت أمبير، أو حتى أكثر (باستخدام وحدات متوازية).
(1) التبريد مع مروحة مدمج في العاكس
يستخدم التبريد باستخدام المروحة المدمجة عادة للمحولات متعددة الأغراض ذات السعة الصغيرة. من خلال تركيب العاكس بشكل صحيح، يمكن تعظيم قدرة تبريد المروحة المدمجة في العاكس. المروحة المدمجة يمكن أن تزيل الحرارة داخل العاكس. يتم التبديد النهائي للحرارة عبر لوحة الحديد في صندوق العاكس. طريقة التبريد باستخدام المروحة المدمجة فقط في العاكس مناسبة لصناديق التحكم ذات المحولات المنفصلة وصناديق التحكم التي تحتوي على عدد قليل نسبيا من مكونات التحكم. إذا كان هناك عدة عاكس أو مكونات كهربائية أخرى ذات تبديد حرارة كبير نسبيا في صندوق التحكم في العاكس، فإن تأثير تبديد الحرارة ليس واضحا جدا.
(2) التبريد باستخدام مروحة خارجية للعاكس
بإضافة عدة مراوح بوظيفة الحمل الحراري للتهوية في صندوق التحكم حيث تم تركيب العاكس، يمكن تحسين تأثير تبديد الحرارة للعاكس بشكل كبير وتقليل درجة حرارة بيئة عمل العاكس. يمكن حساب سعة المروحة عن طريق تبديد الحرارة في العاكس. دعونا نتحدث عن طريقة الاختيار العامة: بناء على التجربة، حسبنا أنه لكل 1 كيلوواط من الحرارة الناتجة عن استهلاك الطاقة، يكون حجم عادم المروحة 360 م³/س، واستهلاك الطاقة للعاكس هو 4-5٪ من سعته. هنا نحسب عند 5٪، ونحصل على العلاقة بين المروحة المعدلة بالعاكس وسعتها: على سبيل المثال: قدرة العاكس هي 90 كيلوواط، إذا: حجم عادم المروحة (م3/س) = سعة العاكس × 5٪ × 360م³/ساعة/كيلوواط = 1620م³/ساعة
ثم اختر موديل المروحة من الشركات المصنعة المختلفة حسب حجم عادم المروحة للحصول على المروحة التي تلبي شروطنا. بشكل عام، التبريد بالمروحة هو الوسيلة الرئيسية لتبريد العاكس في هذه المرحلة، وهو مناسب بشكل خاص لصناديق التحكم الكبيرة نسبيا، وعندما تعمل المكونات الكهربائية في خزانة التحكم وتسخن في نفس الوقت. وهو مناسب لصناديق التحكم المركزية المتكاملة للغاية وصناديق التحكم. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب التقدم المستمر للتكنولوجيا في السنوات الأخيرة، لم تعد مراوح تبديد الحرارة كبيرة كما كانت في السنوات السابقة، وأصبحت مراوح صغيرة وقوية في كل مكان. الأداء من حيث التكلفة أفضل بكثير من طرق التبريد الأخرى.
في الخزائن المفتوحة المبردة بالهواء، من السهل إزالة هذه الحرارة. ومع ذلك، في البيئات القاسية حيث لا يمكن تبريد المروحة المفلترة أو التبريد عبر تدفق الهواء المباشر، تصبح الإدارة الحرارية للغلاف جزءا مهما من عملية التصميم. الاستراتيجيات ضرورية لتبريد محركات الإغلاق المتوسطة والعالية الطاقة بكفاءة وسلبية واقتصادية في البيئات القاسية.
01 فلو أم سيلد
تسمح خزائن تدفق الهواء المفتوحة بتدفق الهواء المحيط عبر الخزانة، مما يبرد وحدات الطاقة العالية بشكل فعال. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي هذا التبريد الفعال إلى دخول ملوثات خارجية إلى الحاوية، والتي عادة ما يتم تقليلها باستخدام نظام فلتر المروحة لترشيح الهواء المتدفق. تساعد الفلاتر في تقليل الغبار والحطام، لكنها تتطلب صيانة منتظمة لتنظيف أو استبدال الفلاتر.
في هذه الأنظمة، تكون المكونات عالية القدرة (ترانزستورات ثنائية القطب المعزولة بالبوابة، الثايرستورات المتغيرة المتكاملة مع البوابة، المقومات التي تتحكم بها السيليكون) عادة ما تكون متصلة بلوح بارد مبرد بالسائل. ثم يرفض السائل الحرارة إلى الهواء المحيط باستخدام نظام ضغط البخار أو عبر مبادل حراري سائل إلى هواء. في كلتا الحالتين، يمكن أن يكون المبادل الحراري المحيط المطلوب داخل أو خارج المنشأة. العيب الرئيسي لهذه الأنظمة هو التحديات في إدخال السوائل إلى الخزانة وإدخال سائل التبريد داخل وخارج الخزانة.
02 ثيرموسيفونات الحلقة
الثيرموسيفونات الحلقية (LTS) هي أجهزة تبريد ثنائية الطور تعمل بالجاذبية. تعمل بطريقة مشابهة لأنابيب الحرارة، حيث يتبخر السائل العامل ويتكاثف في حلقة مغلقة لنقل الحرارة عبر مسافة معينة. الميزة الرئيسية لأجهزة الترموسفونات الحلقية مقارنة بأنابيب الحرارة هي القدرة على استخدام سائل عامل موصل، مما يسمح بنقل عالي الطاقة بكفاءة لمسافات طويلة. الثيرموسيفونات الحلقية لا تحتوي على أجزاء متحركة وهي أكثر موثوقية من مبردات السائل النشطة، أو ضغط البخار، أو أنظمة التبريد ثنائية الطور التي تضخ. الثيرموسيفونات الحلقية مثالية لنقل الحرارة المهدرة عالية الطاقة من الإلكترونيات الكهربائية في الخزانة إلى البيئة خارج الخزانة.
مبادلات الحرارة المحمية المغلقة 03
تعد الثيرموسيفونات الحلقية طريقة ممتازة لإزالة كميات كبيرة من الحرارة مباشرة من المكونات المولدة للحرارة العالية. ومع ذلك، لا يزال الحمل الحراري المهدر للمكونات الثانوية بحاجة إلى التبريد. هذه المكونات الثانوية، بما في ذلك العديد من الأجهزة منخفضة الطاقة المنتشرة في جميع أنحاء الخزانة، يصعب تبريدها عند الاتصال المباشر. بالنسبة لهذه المكونات منخفضة الطاقة وانخفاض تدفق الحرارة، يعد التبريد المباشر للهواء هو الطريقة الأكثر عملية. يمكن تبريد المكونات منخفضة الطاقة بسهولة بواسطة مبادلات حرارة هواء-هواء مع الحفاظ على سلامة ختم الحاوية.
في تركيبة الثيرموسيفون الحلقي ومبادل الحرارة المغلق، يتم تركيب ترانزستورات ثنائية القطب عالية القدرة (IGBTs) أو الثايرستورات المتنقلة بالبوابة المدمجة (IGCTs) على لوحة الباردة الدائرية، ويتم تبديد حملها البالغ 10 كيلوواط بالإضافة إلى حرارة إلى هواء الخزانة الخارجية عبر الثيرموسيفون الحلقي (انظر الشكل 2). جميع المكونات الإلكترونية الثانوية تبرد بواسطة مبادل حراري هواء إلى هواء مغلق، يمكنه إزالة حوالي 1 كيلوواط من الحرارة المهدرة.
مضخات إمداد المياه في العديد من محطات الطاقة قوية جدا أيضا. على سبيل المثال، محطة الطاقة الحرارية التي تبلغ 2*300 ميجاوات تحتوي على مضخة إمداد مياه بقدرة 5500 كيلوواط. مع هذه القدرة الكبيرة، تستخدم أنواع الجهد المتوسط والعالي مثل 6KV.
بعض مطاحن الكرات تمتلك أيضا قوة كبيرة نسبيا، مثل مطحنة الكرات Ф5500×8500 التي تبلغ قوة محركها 4500 كيلوواط.
هناك أيضا بعض مطاحن الدرفلة الكبيرة ذات قوة محرك كبيرة نسبيا، خاصة معدات الدرفلة الساخنة. على سبيل المثال، قوة محرك بعض مطاحن التشطيب هي 11,000 كيلوواط.
طرق عامة لتبديد الحرارة للمحولات
استنادا إلى الهيكل الحالي للمحولات، يمكن تقسيم تبديد الحرارة عموما إلى ثلاثة أنواع كالتالي: تبديد الحرارة الطبيعي، تبديد الحرارة بالحمل الحراري، التبريد السائل، وتبديد الحرارة في البيئة الخارجية.
(1) تبديد الحرارة الطبيعي للمحولات ذات السعة الصغيرة، يستخدم عادة تبديد الحرارة الطبيعي. يجب أن تكون بيئة الاستخدام جيدة التهوية وخاليا من الغبار والأشياء الطافية. يستخدم هذا النوع من العاكس غالبا في مكيفات الهواء المنزلية، وأدوات الماكينات CNC، وغيرها، مع طاقة منخفضة جدا وبيئة استخدام جيدة نسبيا.
(II) التبريد بالحمل الحراري يبدد الحرارة
التبريد بالحمل الحراري هو طريقة تبريد شائعة، كما هو موضح في الشكل 2. مع تطور أجهزة أشباه الموصلات، تطورت مشتتات الحرارة لأجهزة أشباه الموصلات بسرعة أيضا، مع توجه إلى التوحيد القياسي والتسلسل والتعميم؛ بينما تتطور منتجات جديدة باتجاه مقاومة حرارية منخفضة، متعددة الوظائف، صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، ومناسبة للإنتاج والتركيب الآلي. تمتلك العديد من الشركات الكبرى المصنعة للمشتتات الحرارية في العالم آلاف السلاسل من المنتجات، جميعها تم اختبارها وتوفر منحنيات استهلاك الطاقة ومقاومة الحرارة لمشتت الحرارة، مما يوفر سهولة للمستخدمين للاختيار بدقة. وفي الوقت نفسه، فإن تطوير مراوح تبديد الحرارة سريع جدا، حيث يظهر خصائص الحجم الصغير، وعمر الخدمة الطويل، والضوضاء المنخفضة، واستهلاك الطاقة المنخفض، وحجم الهواء الكبير، والحماية العالية. على سبيل المثال، مروحة تبديد الحرارة العاكس منخفضة الطاقة المستخدمة عادة هي فقط 25مم×25مم×10مم؛ يمكن لمروحة SANYO اليابانية طويلة العمر أن تصل إلى 200000 ساعة، ومستوى الحماية يصل إلى IPX5؛ هناك أيضا سنغافورةمروحة التدفق المحوري ذات حجم الهواء الكبير LEIPOLE,بحجم عادم يصل إلى 5700 متر مكعب/س. توفر هذه العوامل للمصممين مساحة خيارات واسعة جدا.
يستخدم التبريد بالحمل الحراري على نطاق واسع لأن المكونات (المراوح، المشعات) المستخدمة سهلة الاختيار، والتكلفة ليست مرتفعة جدا، وسعة العاكس يمكن أن تتراوح من عشرات إلى مئات الكيلو فولت أمبير، أو حتى أكثر (باستخدام وحدات متوازية).
(1) التبريد مع مروحة مدمج في العاكس
يستخدم التبريد باستخدام المروحة المدمجة عادة للمحولات متعددة الأغراض ذات السعة الصغيرة. من خلال تركيب العاكس بشكل صحيح، يمكن تعظيم قدرة تبريد المروحة المدمجة في العاكس. المروحة المدمجة يمكن أن تزيل الحرارة داخل العاكس. يتم التبديد النهائي للحرارة عبر لوحة الحديد في صندوق العاكس. طريقة التبريد باستخدام المروحة المدمجة فقط في العاكس مناسبة لصناديق التحكم ذات المحولات المنفصلة وصناديق التحكم التي تحتوي على عدد قليل نسبيا من مكونات التحكم. إذا كان هناك عدة عاكس أو مكونات كهربائية أخرى ذات تبديد حرارة كبير نسبيا في صندوق التحكم في العاكس، فإن تأثير تبديد الحرارة ليس واضحا جدا.
(2) التبريد باستخدام مروحة خارجية للعاكس
بإضافة عدة مراوح بوظيفة الحمل الحراري للتهوية في صندوق التحكم حيث تم تركيب العاكس، يمكن تحسين تأثير تبديد الحرارة للعاكس بشكل كبير وتقليل درجة حرارة بيئة عمل العاكس. يمكن حساب سعة المروحة عن طريق تبديد الحرارة في العاكس. دعونا نتحدث عن طريقة الاختيار العامة: بناء على التجربة، حسبنا أنه لكل 1 كيلوواط من الحرارة الناتجة عن استهلاك الطاقة، يكون حجم عادم المروحة 360 م³/س، واستهلاك الطاقة للعاكس هو 4-5٪ من سعته. هنا نحسب عند 5٪، ونحصل على العلاقة بين المروحة المعدلة بالعاكس وسعتها: على سبيل المثال: قدرة العاكس هي 90 كيلوواط، إذا: حجم عادم المروحة (م3/س) = سعة العاكس × 5٪ × 360م³/ساعة/كيلوواط = 1620م³/ساعة
ثم اختر موديل المروحة من الشركات المصنعة المختلفة حسب حجم عادم المروحة للحصول على المروحة التي تلبي شروطنا. بشكل عام، التبريد بالمروحة هو الوسيلة الرئيسية لتبريد العاكس في هذه المرحلة، وهو مناسب بشكل خاص لصناديق التحكم الكبيرة نسبيا، وعندما تعمل المكونات الكهربائية في خزانة التحكم وتسخن في نفس الوقت. وهو مناسب لصناديق التحكم المركزية المتكاملة للغاية وصناديق التحكم. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب التقدم المستمر للتكنولوجيا في السنوات الأخيرة، لم تعد مراوح تبديد الحرارة كبيرة كما كانت في السنوات السابقة، وأصبحت مراوح صغيرة وقوية في كل مكان. الأداء من حيث التكلفة أفضل بكثير من طرق التبريد الأخرى.