معظم العاكسات عالية الطاقة ومكوناتها الإلكترونية المرتبطة بها مدمجة في الخزائن الكهربائية. لا تعمل العاكسات على تحسين كفاءة النظام فحسب، بل إن كفاءة العاكس نفسه عالية جدًا أيضًا، حيث يبلغ الفقد 2% إلى 4% فقط. ومع ذلك، نظرًا لكمية تحويل الطاقة الكبيرة في العاكسات عالية الطاقة، حتى لو كان فقد الكفاءة منخفضًا، فإنه سيؤدي إلى توليد عدة كيلوواط إلى عشرات الكيلوواط من الحرارة المهدرة، والتي يجب تبديدها.
في الخزائن المبردة بالهواء المفتوح، من السهل إزالة هذه الحرارة. ومع ذلك، في البيئات القاسية حيث لا يمكن التبريد بمرشحات الهواء أو التبريد عبر تدفق الهواء المباشر، تصبح الإدارة الحرارية للخزانة جزءًا مهمًا من عملية التصميم. الاستراتيجيات ضرورية لتبريد محركات الخزائن المغلقة متوسطة وعالية الطاقة بكفاءة وسلبية واقتصادية في البيئات القاسية.
تسمح خزائن تدفق الهواء المفتوح للهواء المحيط بالتدفق عبر الخزانة، مما يبرد وحدات الطاقة العالية مباشرة بشكل فعال. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي هذا التبريد الفعال إلى دخول ملوثات خارجية إلى الخزانة، والتي يتم تقليلها عادةً باستخدام نظام مرشح مروحة لتصفية الهواء الداخل إلى الخزانة. تساعد المرشحات في تقليل الغبار والحطام، لكنها تتطلب صيانة منتظمة لتنظيف المرشحات أو استبدالها.
في هذه الأنظمة، يتم توصيل مكونات الطاقة العالية (الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة، الثايرستورات المتكاملة ذات البوابة المبدلة، المقومات السيليكونية المتحكم بها) عادةً بلوحة باردة مبردة بالسائل. ثم يرفض السائل الحرارة إلى الهواء المحيط باستخدام نظام ضغط بخاري أو من خلال مبادل حراري سائل-هواء. في كلتا الحالتين، يمكن وضع مبادل الهواء المحيط المطلوب داخل المنشأة أو خارجها. العيب الرئيسي لهذه الأنظمة هو تحديات إدخال السائل إلى الخزانة وتوجيه أنابيب التبريد داخل وخارج الخزانة.
الأنابيب الحرارية الحلقية (LTS) هي أجهزة تبريد ثنائية الطور مدفوعة بالجاذبية. تعمل بشكل مشابه للأنابيب الحرارية، حيث يتبخر سائل العمل ويتكثف في حلقة مغلقة لنقل الحرارة عبر مسافة معينة. الميزة الرئيسية للأنابيب الحرارية الحلقية على الأنابيب الحرارية هي القدرة على استخدام سائل عمل موصل، مما يسمح بنقل فعال وعالي الطاقة لمسافات طويلة. لا تحتوي الأنابيب الحرارية الحلقية على أجزاء متحركة وهي أكثر موثوقية من سوائل التبريد النشطة أو الضغط البخاري أو أنظمة التبريد ثنائية الطور المضخوخة. تعتبر الأنابيب الحرارية الحلقية مثالية لنقل الحرارة المهدرة عالية الطاقة من إلكترونيات الطاقة في الخزانة إلى البيئة خارج الخزانة.
الأنابيب الحرارية الحلقية هي طريقة ممتازة لإزالة كميات كبيرة من الحرارة مباشرة من المكونات عالية التوليد للحرارة. ومع ذلك، لا يزال يتعين تبريد حمل الحرارة المهدرة للمكونات الثانوية. هذه المكونات الثانوية، بما في ذلك العديد من الأجهزة منخفضة الطاقة المنتشرة في جميع أنحاء الخزانة، يصعب تبريدها بالتلامس المباشر. بالنسبة لهذه المكونات منخفضة الطاقة ومنخفضة التدفق الحراري، فإن التبريد المباشر بالهواء هو الطريقة الأكثر عملية. يمكن تبريد المكونات منخفضة الطاقة بسهولة بواسطة مبادلات حرارية هواء-هواء مع الحفاظ على سلامة إغلاق الخزانة.
في مزيج الأنبوب الحراري الحلقي والمبادل الحراري المغلق، يتم تركيب الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة عالية الطاقة (IGBTs) أو الثايرستورات المتكاملة ذات البوابة المبدلة (IGCTs) على اللوحة الباردة للأنبوب الحراري الحلقي، ويتم تبديد حمولة 10 كيلووات بالإضافة إلى الحمل الحراري إلى هواء الخزانة الخارجي من خلال الأنبوب الحراري الحلقي (انظر الشكل 2). يتم تبريد جميع المكونات الإلكترونية الثانوية بواسطة مبادل حراري مغلق هواء-هواء، والذي يمكنه إزالة حوالي 1 كيلووات من الحرارة المهدرة.
مضخات إمداد المياه في العديد من محطات الطاقة قوية جدًا أيضًا. على سبيل المثال، محطة طاقة حرارية بقدرة 2*300 ميجاوات لديها مضخة إمداد مياه بقدرة 5500 كيلووات. مع هذه القدرة الكبيرة، يتم استخدام أنواع متوسطة وعالية الجهد، مثل 6 كيلوفولت.
بعض المطاحن الكروية لديها أيضًا قدرة كبيرة نسبيًا، مثل مطحنة الكرات Ф5500×8500، التي تبلغ قدرة محركها 4500 كيلووات.
هناك أيضًا بعض مصانع الدرفلة الكبيرة ذات قدرة محرك كبيرة نسبيًا، خاصة معدات الدرفلة الساخنة. على سبيل المثال، تبلغ قدرة محرك بعض مصانع التشطيب 11000 كيلووات.
طرق تبديد الحرارة العامة للعاكسات
بناءً على البنية الحالية للعاكسات، يمكن تقسيم تبديد الحرارة عمومًا إلى الأنواع الثلاثة التالية: تبديد الحرارة الطبيعي، تبديد الحرارة بالحمل الحراري، التبريد السائل وتبديد الحرارة بالبيئة الخارجية.
(I) تبديد الحرارة الطبيعي بالنسبة للعاكسات صغيرة السعة، يُستخدم عادةً تبديد الحرارة الطبيعي. يجب أن تكون بيئة الاستخدام جيدة التهوية وخالية من الغبار والأجسام العائمة. يُستخدم هذا النوع من العاكسات غالبًا في مكيفات الهواء المنزلية، وآلات التحكم الرقمي، وما إلى ذلك، مع قدرة منخفضة جدًا وبيئة استخدام جيدة نسبيًا.
(II) التبريد بالحمل الحراري يبدد الحرارة
التبريد بالحمل الحراري هو طريقة تبريد شائعة الاستخدام، كما هو موضح في الشكل 2. مع تطور أجهزة أشباه الموصلات، تطورت أيضًا مشتتات الحرارة لأجهزة أشباه الموصلات بسرعة، متجهة نحو التوحيد القياسي والتسلسلي والتعميم؛ بينما تتطور المنتجات الجديدة في اتجاه المقاومة الحرارية المنخفضة، وتعدد الوظائف، والحجم الصغير، والوزن الخفيف، والمناسبة للإنتاج والتركيب الآلي. لدى العديد من مصنعي مشتتات الحرارة الرئيسيين في العالم آلاف السلاسل المنتجة، وقد تم اختبارها جميعًا وتوفر منحنيات استخدام الطاقة والمقاومة الحرارية للمشتت، مما يوفر الراحة للمستخدمين للاختيار الدقيق. في الوقت نفسه، فإن تطوير مراوح التبريد سريع جدًا أيضًا، حيث تظهر خصائص الحجم الصغير، وعمر الخدمة الطويل، والضوضاء المنخفضة، واستهلاك الطاقة المنخفض، وحجم الهواء الكبير، والحماية العالية. على سبيل المثال، مروحة التبريد شائعة الاستخدام للعاكس منخفض الطاقة هي فقط 25 مم × 25 مم × 10 مم؛ يمكن أن تصل مروحة سانيو اليابانية طويلة العمر إلى 200000 ساعة، ويمكن أن يصل مستوى الحماية إلى IPX5؛ وهناك أيضًا سنغافورةمروحة محورية كبيرة الحجم من LEIPOLE,بحجم عادم يصل إلى 5700 م³/ساعة. توفر هذه العوامل للمصممين مساحة اختيار واسعة جدًا.
يُستخدم التبريد بالحمل الحراري على نطاق واسع لأن المكونات المستخدمة (المراوح، المشتتات) سهلة الاختيار، والتكلفة ليست عالية جدًا، ويمكن أن تكون سعة العاكس من عشرات إلى مئات كيلوفولت أمبير، أو حتى أعلى (باستخدام وحدات متوازية).
(1) التبريد بمروحة مدمجة في العاكس
عادةً ما يُستخدم التبريد بالمروحة المدمجة لمحولات التيار العامة صغيرة السعة. من خلال تركيب المحول بشكل صحيح، يمكن تعظيم قدرة التبريد للمروحة المدمجة للمحول. يمكن للمروحة المدمجة أن تزيل الحرارة من داخل المحول. يتم تبديد الحرارة النهائي من خلال اللوحة الحديدية لصندوق المحول. طريقة التبريد التي تستخدم فقط المروحة المدمجة للمحول مناسبة لصناديق التحكم التي تحتوي على محولات منفصلة وصناديق التحكم التي تحتوي على عدد قليل نسبيًا من مكونات التحكم. إذا كان هناك عدة محولات أو مكونات كهربائية أخرى ذات تبديد حرارة كبير نسبيًا في صندوق التحكم بالمحول، فإن تأثير التبريد لا يكون واضحًا جدًا.
(2) التبريد بالمروحة الخارجية للمحول
من خلال إضافة عدة مراوح ذات وظيفة الحمل الحراري للتهوية في صندوق التحكم حيث يتم تركيب المحول، يمكن تحسين تأثير التبريد للمحول بشكل كبير وتقليل درجة حرارة بيئة عمل المحول. يمكن حساب سعة المروحة من خلال تبديد حرارة المحول. دعنا نتحدث عن طريقة الاختيار العامة: بناءً على الخبرة، حسبنا أنه لكل 1 كيلوواط من الحرارة الناتجة عن استهلاك الطاقة، يكون حجم طرد المروحة 360 مترًا مكعبًا/ساعة، واستهلاك الطاقة للمحول هو 4-5% من سعته. هنا نحسب عند 5%، ويمكننا الحصول على العلاقة بين المروحة المتكيفة مع المحول وسعته: على سبيل المثال: قوة المحول 90 كيلوواط، إذن: حجم طرد المروحة (متر مكعب/ساعة) = سعة المحول × 5% × 360 مترًا مكعبًا/ساعة/كيلوواط = 1620 مترًا مكعبًا/ساعة
ثم حدد طراز المروحة من مختلف الشركات المصنعة وفقًا لحجم طرد المروحة للحصول على المروحة التي تلبي ظروفنا. بشكل عام، يعد تبريد المروحة الوسيلة الرئيسية لتبريد المحول في هذه المرحلة، وهو مناسب بشكل خاص لخزائن التحكم الكبيرة نسبيًا، وعندما تعمل المكونات الكهربائية في خزانة التحكم وتولد حرارة في نفس الوقت. إنه مناسب لخزائن التحكم المركزية عالية التكامل وصناديق التحكم. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للتقدم المستمر في التكنولوجيا في السنوات الأخيرة، لم تعد مراوح التبريد ضخمة كما كانت في السنوات السابقة، والمراوح الصغيرة والقوية موجودة في كل مكان. كما أن نسبة السعر إلى الأداء أفضل بكثير من طرق التبريد الأخرى.
في الخزائن المبردة بالهواء المفتوح، من السهل إزالة هذه الحرارة. ومع ذلك، في البيئات القاسية حيث لا يمكن التبريد بمرشحات الهواء أو التبريد عبر تدفق الهواء المباشر، تصبح الإدارة الحرارية للخزانة جزءًا مهمًا من عملية التصميم. الاستراتيجيات ضرورية لتبريد محركات الخزائن المغلقة متوسطة وعالية الطاقة بكفاءة وسلبية واقتصادية في البيئات القاسية.
01 التدفق أو الإغلاق
تسمح خزائن تدفق الهواء المفتوح للهواء المحيط بالتدفق عبر الخزانة، مما يبرد وحدات الطاقة العالية مباشرة بشكل فعال. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي هذا التبريد الفعال إلى دخول ملوثات خارجية إلى الخزانة، والتي يتم تقليلها عادةً باستخدام نظام مرشح مروحة لتصفية الهواء الداخل إلى الخزانة. تساعد المرشحات في تقليل الغبار والحطام، لكنها تتطلب صيانة منتظمة لتنظيف المرشحات أو استبدالها.
في هذه الأنظمة، يتم توصيل مكونات الطاقة العالية (الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة، الثايرستورات المتكاملة ذات البوابة المبدلة، المقومات السيليكونية المتحكم بها) عادةً بلوحة باردة مبردة بالسائل. ثم يرفض السائل الحرارة إلى الهواء المحيط باستخدام نظام ضغط بخاري أو من خلال مبادل حراري سائل-هواء. في كلتا الحالتين، يمكن وضع مبادل الهواء المحيط المطلوب داخل المنشأة أو خارجها. العيب الرئيسي لهذه الأنظمة هو تحديات إدخال السائل إلى الخزانة وتوجيه أنابيب التبريد داخل وخارج الخزانة.
02 الأنابيب الحرارية الحلقية
الأنابيب الحرارية الحلقية (LTS) هي أجهزة تبريد ثنائية الطور مدفوعة بالجاذبية. تعمل بشكل مشابه للأنابيب الحرارية، حيث يتبخر سائل العمل ويتكثف في حلقة مغلقة لنقل الحرارة عبر مسافة معينة. الميزة الرئيسية للأنابيب الحرارية الحلقية على الأنابيب الحرارية هي القدرة على استخدام سائل عمل موصل، مما يسمح بنقل فعال وعالي الطاقة لمسافات طويلة. لا تحتوي الأنابيب الحرارية الحلقية على أجزاء متحركة وهي أكثر موثوقية من سوائل التبريد النشطة أو الضغط البخاري أو أنظمة التبريد ثنائية الطور المضخوخة. تعتبر الأنابيب الحرارية الحلقية مثالية لنقل الحرارة المهدرة عالية الطاقة من إلكترونيات الطاقة في الخزانة إلى البيئة خارج الخزانة.
03 مبادلات حرارة الخزائن المغلقة
الأنابيب الحرارية الحلقية هي طريقة ممتازة لإزالة كميات كبيرة من الحرارة مباشرة من المكونات عالية التوليد للحرارة. ومع ذلك، لا يزال يتعين تبريد حمل الحرارة المهدرة للمكونات الثانوية. هذه المكونات الثانوية، بما في ذلك العديد من الأجهزة منخفضة الطاقة المنتشرة في جميع أنحاء الخزانة، يصعب تبريدها بالتلامس المباشر. بالنسبة لهذه المكونات منخفضة الطاقة ومنخفضة التدفق الحراري، فإن التبريد المباشر بالهواء هو الطريقة الأكثر عملية. يمكن تبريد المكونات منخفضة الطاقة بسهولة بواسطة مبادلات حرارية هواء-هواء مع الحفاظ على سلامة إغلاق الخزانة.
في مزيج الأنبوب الحراري الحلقي والمبادل الحراري المغلق، يتم تركيب الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة عالية الطاقة (IGBTs) أو الثايرستورات المتكاملة ذات البوابة المبدلة (IGCTs) على اللوحة الباردة للأنبوب الحراري الحلقي، ويتم تبديد حمولة 10 كيلووات بالإضافة إلى الحمل الحراري إلى هواء الخزانة الخارجي من خلال الأنبوب الحراري الحلقي (انظر الشكل 2). يتم تبريد جميع المكونات الإلكترونية الثانوية بواسطة مبادل حراري مغلق هواء-هواء، والذي يمكنه إزالة حوالي 1 كيلووات من الحرارة المهدرة.
مضخات إمداد المياه في العديد من محطات الطاقة قوية جدًا أيضًا. على سبيل المثال، محطة طاقة حرارية بقدرة 2*300 ميجاوات لديها مضخة إمداد مياه بقدرة 5500 كيلووات. مع هذه القدرة الكبيرة، يتم استخدام أنواع متوسطة وعالية الجهد، مثل 6 كيلوفولت.
بعض المطاحن الكروية لديها أيضًا قدرة كبيرة نسبيًا، مثل مطحنة الكرات Ф5500×8500، التي تبلغ قدرة محركها 4500 كيلووات.
هناك أيضًا بعض مصانع الدرفلة الكبيرة ذات قدرة محرك كبيرة نسبيًا، خاصة معدات الدرفلة الساخنة. على سبيل المثال، تبلغ قدرة محرك بعض مصانع التشطيب 11000 كيلووات.
طرق تبديد الحرارة العامة للعاكسات
بناءً على البنية الحالية للعاكسات، يمكن تقسيم تبديد الحرارة عمومًا إلى الأنواع الثلاثة التالية: تبديد الحرارة الطبيعي، تبديد الحرارة بالحمل الحراري، التبريد السائل وتبديد الحرارة بالبيئة الخارجية.
(I) تبديد الحرارة الطبيعي بالنسبة للعاكسات صغيرة السعة، يُستخدم عادةً تبديد الحرارة الطبيعي. يجب أن تكون بيئة الاستخدام جيدة التهوية وخالية من الغبار والأجسام العائمة. يُستخدم هذا النوع من العاكسات غالبًا في مكيفات الهواء المنزلية، وآلات التحكم الرقمي، وما إلى ذلك، مع قدرة منخفضة جدًا وبيئة استخدام جيدة نسبيًا.
(II) التبريد بالحمل الحراري يبدد الحرارة
التبريد بالحمل الحراري هو طريقة تبريد شائعة الاستخدام، كما هو موضح في الشكل 2. مع تطور أجهزة أشباه الموصلات، تطورت أيضًا مشتتات الحرارة لأجهزة أشباه الموصلات بسرعة، متجهة نحو التوحيد القياسي والتسلسلي والتعميم؛ بينما تتطور المنتجات الجديدة في اتجاه المقاومة الحرارية المنخفضة، وتعدد الوظائف، والحجم الصغير، والوزن الخفيف، والمناسبة للإنتاج والتركيب الآلي. لدى العديد من مصنعي مشتتات الحرارة الرئيسيين في العالم آلاف السلاسل المنتجة، وقد تم اختبارها جميعًا وتوفر منحنيات استخدام الطاقة والمقاومة الحرارية للمشتت، مما يوفر الراحة للمستخدمين للاختيار الدقيق. في الوقت نفسه، فإن تطوير مراوح التبريد سريع جدًا أيضًا، حيث تظهر خصائص الحجم الصغير، وعمر الخدمة الطويل، والضوضاء المنخفضة، واستهلاك الطاقة المنخفض، وحجم الهواء الكبير، والحماية العالية. على سبيل المثال، مروحة التبريد شائعة الاستخدام للعاكس منخفض الطاقة هي فقط 25 مم × 25 مم × 10 مم؛ يمكن أن تصل مروحة سانيو اليابانية طويلة العمر إلى 200000 ساعة، ويمكن أن يصل مستوى الحماية إلى IPX5؛ وهناك أيضًا سنغافورةمروحة محورية كبيرة الحجم من LEIPOLE,بحجم عادم يصل إلى 5700 م³/ساعة. توفر هذه العوامل للمصممين مساحة اختيار واسعة جدًا.
يُستخدم التبريد بالحمل الحراري على نطاق واسع لأن المكونات المستخدمة (المراوح، المشتتات) سهلة الاختيار، والتكلفة ليست عالية جدًا، ويمكن أن تكون سعة العاكس من عشرات إلى مئات كيلوفولت أمبير، أو حتى أعلى (باستخدام وحدات متوازية).
(1) التبريد بمروحة مدمجة في العاكس
عادةً ما يُستخدم التبريد بالمروحة المدمجة لمحولات التيار العامة صغيرة السعة. من خلال تركيب المحول بشكل صحيح، يمكن تعظيم قدرة التبريد للمروحة المدمجة للمحول. يمكن للمروحة المدمجة أن تزيل الحرارة من داخل المحول. يتم تبديد الحرارة النهائي من خلال اللوحة الحديدية لصندوق المحول. طريقة التبريد التي تستخدم فقط المروحة المدمجة للمحول مناسبة لصناديق التحكم التي تحتوي على محولات منفصلة وصناديق التحكم التي تحتوي على عدد قليل نسبيًا من مكونات التحكم. إذا كان هناك عدة محولات أو مكونات كهربائية أخرى ذات تبديد حرارة كبير نسبيًا في صندوق التحكم بالمحول، فإن تأثير التبريد لا يكون واضحًا جدًا.
(2) التبريد بالمروحة الخارجية للمحول
من خلال إضافة عدة مراوح ذات وظيفة الحمل الحراري للتهوية في صندوق التحكم حيث يتم تركيب المحول، يمكن تحسين تأثير التبريد للمحول بشكل كبير وتقليل درجة حرارة بيئة عمل المحول. يمكن حساب سعة المروحة من خلال تبديد حرارة المحول. دعنا نتحدث عن طريقة الاختيار العامة: بناءً على الخبرة، حسبنا أنه لكل 1 كيلوواط من الحرارة الناتجة عن استهلاك الطاقة، يكون حجم طرد المروحة 360 مترًا مكعبًا/ساعة، واستهلاك الطاقة للمحول هو 4-5% من سعته. هنا نحسب عند 5%، ويمكننا الحصول على العلاقة بين المروحة المتكيفة مع المحول وسعته: على سبيل المثال: قوة المحول 90 كيلوواط، إذن: حجم طرد المروحة (متر مكعب/ساعة) = سعة المحول × 5% × 360 مترًا مكعبًا/ساعة/كيلوواط = 1620 مترًا مكعبًا/ساعة
ثم حدد طراز المروحة من مختلف الشركات المصنعة وفقًا لحجم طرد المروحة للحصول على المروحة التي تلبي ظروفنا. بشكل عام، يعد تبريد المروحة الوسيلة الرئيسية لتبريد المحول في هذه المرحلة، وهو مناسب بشكل خاص لخزائن التحكم الكبيرة نسبيًا، وعندما تعمل المكونات الكهربائية في خزانة التحكم وتولد حرارة في نفس الوقت. إنه مناسب لخزائن التحكم المركزية عالية التكامل وصناديق التحكم. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للتقدم المستمر في التكنولوجيا في السنوات الأخيرة، لم تعد مراوح التبريد ضخمة كما كانت في السنوات السابقة، والمراوح الصغيرة والقوية موجودة في كل مكان. كما أن نسبة السعر إلى الأداء أفضل بكثير من طرق التبريد الأخرى.