Prefacio

Los inversores son componentes vitales que convierten la corriente continua (CC) en alterna (CA) para alimentar desde sistemas solares hasta vehículos eléctricos y maquinaria industrial. A pesar de su uso generalizado, se enfrentan a un reto crítico: el calor. El proceso de conversión de energía genera inevitablemente importantes cargas térmicas que requieren una ventilación y una gestión térmica adecuadas. Si este calor no se gestiona, un inversor fiable puede convertirse rápidamente en una fuente de frustración y pérdidas económicas sustanciales.

La buena noticia es que, con estrategias de refrigeración adecuadas, estos retos son totalmente manejables. Este artículo explicará el papel indispensable de una refrigeración adecuada de los inversores, analizando cómo se genera el calor, las consecuencias de la negligencia térmica, las soluciones de refrigeración disponibles y cómo una gestión térmica inteligente es una inversión proactiva contra los costosos fallos del sistema.

El papel fundamental de la refrigeración del inversor en la longevidad del sistema

Existen numerosos usos de los inversores en paneles solares, vehículos eléctricos, maquinaria industrial y telecomunicacionesentre otros campos. El aspecto más crítico en todos ellos es su competencia en la gestión de la potencia. Esta fiabilidad se debe a la correcta gestión del calor. Además, siempre hay calor que los inversores producen debido a ineficiencias en la conversión de potencia, sobre todo en sus composiciones semiconductoras. Cuando este calor no se disipa eficazmente, se acumula, lo que da lugar a elevadas temperaturas internas. Las altas temperaturas prolongadas reducen en gran medida la vida útil de los componentes electrónicos y afectan a la fiabilidad del inversor.

¿Qué ocurre si se sobrecalienta un inversor?

Los resultados de un inversor sobrecalentado son más que una simple molestia. Dan lugar a una secuencia de efectos adversos en el rendimiento, la vida útil y, por último, en su cuenta de resultados.

• Deterioro del rendimiento y penalización por eficiencia: Las bajas temperaturas internas hacen que el inversor limite automáticamente la potencia máxima que puede crear para evitar daños graves debidos al derrateo (interno) inducido por la temperatura. En el caso de un inversor solar, implicaría menos kilovatios producidos y dinero malgastado. En un entorno industrial, puede significar una reducción de la productividad y del trabajo.
• Fallos tempranos del chip y del sistema: Las altas temperaturas durante un largo periodo de tiempo aumentan el desgaste de componentes electrónicos críticos como los semiconductores (por ejemplo, IGBT y MOSFET). A modo de ejemplo, cabe esperar que muchos componentes electrónicos fallen el doble de rápido a 10 °C por encima de la temperatura de funcionamiento. Esto da lugar a un fallo prematuro de las piezas mucho antes de lo esperado, lo que requiere reparaciones costosas o incluso la sustitución de todo el inversor, y exige tiempos de inactividad en las operaciones con las consiguientes molestias.
• Invalidación de la garantía y riesgos para la seguridad: Incluso las acciones correctivas utilizadas para reducir o detener el sobrecalentamiento en situaciones extremas pueden causar daños duraderos e incluso provocar incendios. El rango de temperatura de funcionamiento está definido por la mayoría de las garantías de uso de los fabricantes de inversores; si se superan dichos rangos por falta de refrigeración, la garantía puede quedar invalidada y usted será el único que tendrá que correr con los gastos de reparación y sustitución.

Generación de calor en los inversores

Principalmente, las principales fuentes de calor en un inversor son las pérdidas en el proceso de conversión en el inversor en sus interruptores semiconductores (por ejemplo, IGBT, MOSFET, diodos), componentes magnéticos (inductores, transformadores) y componentes resistivos. Aunque estos componentes son necesarios para convertir la energía, no son totalmente eficientes en su conversión, y sólo una parte específica de la energía eléctrica se convertirá siempre en calor.

• Pérdidas de conmutación: Las pérdidas de conmutación también pueden ser un importante generador de calor en los semiconductores de potencia y representan una pérdida de energía cada vez que un dispositivo se enciende o se apaga. Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación (como es típico en los inversores modernos y compactos), mayores pueden llegar a ser estas pérdidas.
• Pérdidas por conducción: En el estado conductor de un dispositivo semiconductor, se produce una caída de tensión a través del dispositivo y, por tanto, una pérdida de I2R (corriente al cuadrado por resistencia). Estas pérdidas son perpetuas.
• Pérdidas magnéticas: Los componentes de los inductores y transformadores generan calor adicional, que incluye las pérdidas del núcleo y las del cobre (pérdidas I2R en sus devanados).

La suma de estas pérdidas, multiplicada por las crecientes densidades de potencia en los circuitos de los inversores modernos, exige que el diseño de los inversores exija soluciones de gestión térmica superiores. La temperatura interna de estos componentes pronto superará sus límites máximos de funcionamiento y provocará graves consecuencias sin una eliminación eficaz del calor.

El alto coste del sobrecalentamiento: Riesgos y consecuencias

Los efectos indirectos o directos de una gestión térmica tardía en los inversores son significativos y, por tanto, influyen en las finanzas, las operaciones y la seguridad.

• Implicaciones financieras: Los inversores sobrecalentados son ineficaces, y vierten la energía en calor, provocando un aumento de la factura eléctrica. El rápido desgaste de los componentes encarece su reparación y sustitución. Además, funcionar dentro de unos límites de temperatura no especificados puede anular las garantías para los propietarios, que acaban asumiendo toda la responsabilidad financiera de su reparación.
• Interrupciones de la operación: Un PC averiado puede provocar la paralización de la productividad, ya sea generando electricidad a través de una planta solar o produciendo bienes a través de una fábrica. Esto se debe a que cada hora de inactividad es una hora de plazos e ingresos perdidos. El derrateo reduce también la potencia del inversor, por lo que el sistema global alimentado por él rinde por debajo de lo esperado.
• Seguridad y medio ambiente: En casos extremos, el sobrecalentamiento constante provoca riesgos de incendio. Además, la sustitución de inversores dañados suele generar residuos electrónicos, lo que supone un coste medioambiental.

Por ejemplo, un inversor solar de 100 kW con una reducción de potencia de sólo 5% durante 6 horas al día a lo largo de un año, con un precio de la electricidad de $0,15/kWh, perdería aproximadamente 1,5 millones de euros al año. $2,700 anualmente ($0,15/kWh 5 kW 6 horas/día * 365 días/año). A lo largo de los 10-20 años de vida útil prevista del inversor, esta aparentemente pequeña ineficiencia se convierte en un importante perjuicio económico.

Diversos enfoques para una refrigeración eficaz de los inversores

Para superar la producción de calor, los ingenieros aplican varios sistemas de refrigeración. Ambos tienen puntos fuertes, puntos débiles y mejores prácticas particulares.

Refrigeración por aire: Convección natural vs. forzada

La más sencilla y, por lo general, la menos costosa es la refrigeración por aire, que también es la más barata.

• Convección natural: Es pasiva y utiliza el movimiento natural del aire, ya que el aire caliente se enfría al ascender. Se denomina convección natural. Es apropiada en inversores de baja potencia (generalmente menos de 1-2 kW) en los que se puede gestionar la producción de calor. Las ventajas son que no tiene piezas móviles (se genera ruido o se desgasta) y que es de bajo coste. Es menos eficaz en cuanto a superficie y temperatura ambiente.
• Convección forzada: Con los inversores de mayor potencia, la refrigeración por aire forzado añade el movimiento de aire sobre los elementos generadores de calor (como los módulos de potencia que utilizan disipadores térmicos) a través de ventiladores. Esto aumenta enormemente el flujo de aire, potenciando la transferencia de calor. La refrigeración por aire forzado se aplica a una amplia variedad de aplicaciones de inversores, incluidos los inversores solares residenciales y muchos accionamientos industriales. El diseño de un canal de aire adecuado y la filtración de polvo son esenciales.

Refrigeración líquida: Gestión térmica de alto rendimiento

La refrigeración líquida es una mejor solución cuando las densidades de potencia son inusualmente altas o cuando los inversores se colocan en condiciones duras y confinadas. La mayor diferencia entre los líquidos y el aire es que los líquidos tienen una conductividad térmica y una capacidad calorífica mucho mayores que el aire, por lo que son mucho más capaces de absorber y transferir calor.

• Refrigeración directa por líquido: Las piezas que producen calor entran en contacto directo con el refrigerante, que tiene una alta conductividad térmica. Aunque es muy eficiente, necesita que los componentes sean herméticos y utilizables con líquidos dieléctricos para evitar cortocircuitos eléctricos. Esto no es tan habitual en los inversores estándar.
• Refrigeración líquida indirecta: Más de esto es habitual. Los componentes que generan calor se instalan en una placa fría, y el refrigerante fluye por los canales que hay en ella y elimina el calor. A continuación, pasa a un radiador y, en muchos casos, a ventiladores. Un sistema de este tipo suele constar de bomba, depósito e intercambiadores de calor.

Los accionamientos de motores industriales de alta potencia y los inversores de servicios públicos a gran escala requieren refrigeración líquida, y los requisitos de los inversores de tracción de vehículos eléctricos (VE) son aún más exigentes en cuanto a tamaño compacto y alta densidad de potencia. La refrigeración líquida es más sofisticada y cara de emplear, pero más eficaz térmicamente para permitir mayores densidades de potencia y un funcionamiento más fiable en aplicaciones exigentes.

Tecnologías de refrigeración avanzadas y emergentes

Además de los sistemas clásicos de aire y líquido, actualmente se están desarrollando nuevos sistemas:

• Materiales de cambio de fase (PCM): Los materiales de cambio de fase absorben y liberan enormes cantidades de calor latente al cambiar de fase (es decir, sólido-líquido). Los PCM también pueden utilizarse para suministrar refrigeración pasiva transitoria, como la amortiguación de picos térmicos, para permitir que un inversor trabaje momentáneamente con cargas elevadas sin sobrecalentarse.
• Tubos de calor y cámaras de vapor: Transfieren mucho calor (eficiencia de transferencia de calor muy alta) a distancias relativamente grandes con una diferencia de temperatura pequeña utilizando el cambio de fase de un fluido de trabajo en estos dispositivos pasivos. Se suelen utilizar en el diseño de disipadores de calor para dispersar el calor de forma más eficiente en un punto caliente.
• Refrigeración por pulverización e impacto de chorro: La refrigeración por pulverización y el chorro de impacto son formas avanzadas de refrigeración líquida en las que el refrigerante pulverizado o los chorros de refrigerante a alta velocidad se dirigen a superficies calientes cercanas a ellas. Esto produce una transferencia de calor muy localizada y eficiente, lo que la hace apropiada para el régimen de densidad de potencia extremadamente alta.

Selección de la solución de refrigeración adecuada para su inversor

Para encontrar la mejor solución de refrigeración disponible, es importante tener en cuenta los siguientes parámetros con un sentido reflexivo para que cumpla los requisitos térmicos y los objetivos operativos y económicos.

1. Potencia nominal y producción de calefacción: Los inversores de baja potencia pueden refrigerarse por aire mediante convección natural, los modelos de mayor potencia requerirán aire forzado y, en los inversores de muy alta potencia, lo habitual es la refrigeración por líquido. Lo primero que hay que hacer es calcular correctamente la cantidad de calor que debe disiparse.
2. Condiciones ambientales: Las temperaturas ambiente son más altas, lo que disminuye en parte la eficacia de la refrigeración. Las carcasas asentadas o la refrigeración líquida son más adecuadas, ya que los entornos polvorientos o corrosivos pueden obstruir los filtros de aire o destruir los componentes.
3. Limitaciones de peso y espacio: La refrigeración líquida puede proporcionar una alta eliminación de potencia en un área pequeña en comparación con un disipador de calor refrigerado por aire, ya que es más grande. En diseños compactos, como un vehículo eléctrico, la refrigeración líquida puede permitir una mayor eliminación de potencia.
4. Requisitos sobre ruido: En aplicaciones residenciales o de oficina, el ruido del ventilador puede ser un problema. Las soplantes EC, incluso a máxima velocidad, pueden ser más silenciosas cuando funcionan a baja carga, gracias al estrecho control de la velocidad.
5. Coste (inicial y operativo): La refrigeración líquida puede ser simplemente más cara de adquirir en comparación con la refrigeración por aire. Sin embargo, el coste de funcionamiento (energía, costes de mantenimiento) y la larga vida útil del inversor no deben pasarse por alto, ya que un coste inicial adicional puede generar un gran beneficio a largo plazo.
6. Fiabilidad y mantenimiento: Los sistemas de convección natural suelen tener menos piezas móviles, por lo que son más fiables. Los sistemas de aire forzado necesitarán la limpieza frecuente de los filtros, y habrá que cambiar el ventilador. Los sistemas de refrigeración líquida requieren la supervisión del nivel de fluido y el control de la bomba.

Evaluando adecuadamente estos aspectos, es posible permitir a los fabricantes del proceso tomar decisiones informadas para emplear una estrategia de refrigeración que ayude a ofrecer un rendimiento óptimo de los inversores, maximizar el factor de forma y proporcionar una estrategia de mitigación basada en el riesgo.

ACDFAN: Su socio en refrigeración Inverter fiable

ACDCFAN es un socio a largo plazo de excelente gestión térmica y una empresa original en el difícil mundo de la gestión térmica de inversores, capaz de ofrecer una solución de refrigeración flexible que evita costosos fallos del sistema y prolonga considerablemente la vida útil de su electrónica de potencia crítica. Con más de 20 años de incansable experiencia en el ámbito de la fabricación de ventiladores, conocemos perfectamente las particularidades de la disipación del calor y los estrictos requisitos de los distintos tipos de condiciones industriales y tecnológicas.

Los ventiladores de refrigeración inverter fabricados por ACDCFANs incorporan una gran durabilidad y un rendimiento de aire constante. Por ejemplo, nuestros ventiladores de CC de alta calidad tienen un diseño de motor de ventilador sin escobillas y una tecnología innovadora para ofrecer un nivel máximo de protección IP de hasta IP68. Esto implica que son capaces de resistir bajo el agua todo el tiempo y, por lo tanto, se adaptan perfectamente a las condiciones más exigentes a las que están expuestos los inversores, y las posibilidades de que se produzcan fallos causados por el polvo y la humedad son mínimas.

Nuestros ventiladores son de fabricación resistente. Los marcos de nuestros ventiladores de refrigeración del inversor utilizan lo mejor del mejor aluminio aleado de ADC-12, que se mezcla con un 3-5 por ciento de cobre. La resistencia y la disipación de calor de primera calidad de esta composición distintiva garantizan el cumplimiento de los estrictos requisitos de la norma ROHS 2.0. Tal selección de materiales, unida a una producción precisa, se traduce directamente en una extraordinaria vida útil de 70.000 horas a una temperatura máxima de funcionamiento de 40 °C. Esto equivale a más de ocho años de funcionamiento ininterrumpido, lo que supone una gran reducción de la frecuencia de sustitución y de los tiempos de inactividad relacionados con el mantenimiento del sistema.

Somos la calidad de las amplias certificaciones internacionales, como CE, UL, RoHS y TUV. Todas estas certificaciones pueden describirse como la garantía de que mantendremos las normativas internacionales de seguridad, respeto al medio ambiente y rendimiento, lo que proporciona comodidad a nuestros clientes.

Somos conscientes de que una entrega rápida es muy importante. Para facilitar esta rápida implantación y apoyo a nuestros clientes, hemos racionalizado nuestros procesos, incluida la logística y la producción, para tardar sólo unas notables 1-2 semanas en entregar nuestros ventiladores axiales a nuestros clientes. Esta agilidad significa que usted obtiene las soluciones de refrigeración de alto rendimiento que necesita tan pronto como las necesita para mantener sus proyectos a tiempo y sus operaciones funcionando sin problemas.

Conclusión

La gestión eficaz del calor en los inversores no es opcional; es un pilar fundamental de su fiabilidad y éxito operativo a largo plazo. A medida que aumentan las densidades de potencia y las aplicaciones se vuelven más exigentes, la necesidad de soluciones de refrigeración robustas y eficientes no hará sino crecer. Desde la convección natural hasta la refrigeración líquida, cada método ofrece una ventaja estratégica en función de la aplicación específica y sus limitaciones únicas, ya se trate de hacer frente a los retos del calentamiento en entornos industriales o de optimizar el rendimiento en instalaciones sensibles a la temperatura.

Invertir en la tecnología de refrigeración adecuada, adaptada a la potencia, el entorno y el perfil operativo del inversor, es una medida proactiva que produce beneficios sustanciales. Mitiga los costosos riesgos de reducción de potencia, fallos prematuros de los componentes y tiempos de inactividad inesperados, al tiempo que prolonga la vida útil de los valiosos equipos. En última instancia, un inversor bien refrigerado funciona de forma fiable, eficiente y durante muchos años, garantizando la continuidad y la rentabilidad de las empresas de todos los sectores. Al comprender la ciencia del calor y adoptar estrategias de refrigeración avanzadas, allanamos el camino hacia un futuro más fiable y sostenible impulsado por inversores eficientes.