Préface

Les onduleurs sont des composants essentiels qui convertissent le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) pour alimenter toutes sortes d'appareils, des systèmes solaires aux véhicules électriques en passant par les machines industrielles. Malgré leur utilisation généralisée, ils sont confrontés à un défi majeur : la chaleur. Le processus de conversion de l'énergie génère inévitablement des charges thermiques importantes qui nécessitent une ventilation et une gestion thermique appropriées. Si cette chaleur n'est pas gérée, un onduleur fiable peut rapidement devenir une source de frustration et de perte financière substantielle.

La bonne nouvelle, c'est qu'avec des stratégies de refroidissement appropriées, ces défis sont tout à fait gérables. Cet article explique le rôle indispensable d'un bon refroidissement de l'onduleur, en explorant la façon dont la chaleur est générée, les conséquences de la négligence thermique, les solutions de refroidissement disponibles et la façon dont une gestion thermique intelligente est un investissement proactif contre les défaillances coûteuses du système.

Le rôle critique du refroidissement de l'onduleur dans la longévité du système

Les onduleurs sont utilisés à de nombreuses fins dans les domaines suivants panneaux solaires, véhicules électriques, machines industrielles et télécommunicationsentre autres domaines. L'aspect le plus critique dans tous ces domaines est leur compétence en matière de gestion de l'énergie. Cette fiabilité est due à la bonne gestion de la chaleur. En outre, les onduleurs produisent toujours de la chaleur en raison de l'inefficacité de la conversion de l'énergie, principalement dans leurs compositions semi-conductrices. Lorsque cette chaleur n'est pas dissipée efficacement, elle s'accumule, ce qui entraîne des températures internes élevées. Des températures élevées prolongées réduisent considérablement la durée de vie des composants électroniques et affectent la fiabilité de l'onduleur.

Que se passe-t-il en cas de surchauffe d'un onduleur ?

Les conséquences d'une surchauffe de l'onduleur sont plus qu'une simple nuisance. Ils se traduisent par une série d'effets négatifs sur les performances, la durée de vie et, enfin, les résultats financiers.

• Perte de performance et pénalité d'efficacité : Des températures internes basses amènent l'onduleur à limiter automatiquement la puissance maximale qu'il peut produire afin d'éviter de graves dommages dus au déclassement (interne) induit par la température. Dans le cas d'un onduleur solaire, cela signifie moins de kilowatts produits et de l'argent gaspillé. Dans un environnement industriel, cela peut signifier une réduction de la productivité et du travail.
• Défaillances précoces des puces et des systèmes : Les températures élevées sur une longue période augmentent l'usure des composants électroniques critiques tels que les semi-conducteurs (par exemple, les IGBT et les MOSFET). À titre d'exemple, on peut s'attendre à ce que de nombreux composants électroniques tombent en panne deux fois plus vite à 10 °C au-dessus de la température de fonctionnement. Il en résulte une défaillance prématurée des pièces bien avant la date prévue, ce qui nécessite des réparations coûteuses, voire le remplacement de l'ensemble de l'onduleur, ainsi qu'une interruption des opérations avec les désagréments qui en découlent.
• Invalidations de garantie et risques pour la sécurité : Même les mesures correctives prises pour réduire ou arrêter la surchauffe dans des situations extrêmes peuvent causer des dommages durables et même déclencher des incendies. La plage de température de fonctionnement est définie par la plupart des garanties d'utilisation des fabricants d'onduleurs ; si vous dépassez ces plages en raison d'un manque de refroidissement, votre garantie peut devenir caduque et vous devrez supporter seul le coût de la réparation et du remplacement.

Comprendre la production de chaleur dans les onduleurs

Les principales sources de chaleur dans un onduleur sont les pertes dans le processus de conversion de l'onduleur dans ses commutateurs à semi-conducteurs (par exemple, IGBT, MOSFET, diodes), ses composants magnétiques (inductances, transformateurs) et ses composants résistifs. Bien que ces composants soient nécessaires pour convertir l'énergie, ils ne sont pas entièrement efficaces dans leur conversion, et seule une partie déterminée de l'énergie électrique sera toujours convertie en chaleur.

• Pertes de commutation : Les pertes de commutation peuvent également être un important générateur de chaleur dans les semi-conducteurs de puissance et représentent une perte d'énergie chaque fois qu'un dispositif s'allume ou s'éteint. Plus la fréquence de commutation est élevée (comme c'est le cas pour les onduleurs modernes et compacts), plus ces pertes peuvent être importantes.
• Pertes par conduction : À l'état conducteur d'un dispositif semi-conducteur, il y a une chute de tension à travers le dispositif et donc une perte de I2R (courant au carré multiplié par la résistance). Ces pertes sont perpétuelles.
• Pertes magnétiques : La chaleur supplémentaire est générée par les composants des inducteurs et des transformateurs, qui comprennent les pertes du noyau et les pertes de cuivre (pertes I2R dans leurs enroulements).

L'agrégation de ces pertes, multipliée par les densités de puissance croissantes dans les circuits des onduleurs modernes, exige que la conception des onduleurs nécessite des solutions de gestion thermique supérieures. La température interne de ces composants dépassera bientôt leurs limites maximales de fonctionnement et aura de graves conséquences si l'évacuation de la chaleur n'est pas efficace.

Le coût élevé de la surchauffe : Risques et conséquences

Les effets indirects ou directs d'une gestion thermique tardive des onduleurs sont importants et jouent donc un rôle dans les finances, les opérations et la sécurité.

• Implications financières : Les onduleurs surchauffés sont inefficaces et perdent de l'énergie en chaleur, ce qui fait augmenter les factures d'électricité. L'usure rapide des composants rend leur réparation et leur remplacement plus coûteux. En outre, le fait de fonctionner dans des limites de température non spécifiées peut rendre les garanties nulles pour les propriétaires, qui finissent par assumer toute la responsabilité financière de leur réparation.
• Interruptions de fonctionnement : Une panne de PC peut entraîner l'arrêt de la productivité, qu'il s'agisse de produire de l'électricité dans une centrale solaire ou des biens dans une usine. En effet, chaque heure d'arrêt est une heure de délai et de perte de revenus. Le déclassement réduit également la puissance de l'onduleur, ce qui entraîne une baisse de performance de l'ensemble du système qu'il alimente.
• Préoccupations en matière de sécurité et d'environnement : Dans les cas extrêmes, une surchauffe constante entraîne des risques d'incendie. De plus, le remplacement des onduleurs endommagés entraîne souvent la production de déchets électroniques, ce qui représente un coût pour l'environnement.

Par exemple, un onduleur solaire de 100 kW subissant un déclassement de seulement 5% pendant 6 heures par jour pendant un an, avec une électricité au prix de $0,15/kWh, perdrait approximativement $2,700 par an ($0,15/kWh 5 kW 6 heures/jour * 365 jours/an). Au cours de la durée de vie prévue de l'onduleur (10 à 20 ans), cette inefficacité apparemment minime s'accumule et entraîne un préjudice financier considérable.

Diverses approches pour un refroidissement efficace des onduleurs

Afin de surmonter la production de chaleur, les ingénieurs utilisent plusieurs systèmes de refroidissement. Ils présentent tous des forces, des faiblesses et des meilleures pratiques particulières.

Refroidissement de l'air : Convection naturelle ou forcée

Le plus simple et généralement le moins coûteux est le refroidissement par air, qui est également le moins onéreux.

• Convection naturelle : Il s'agit d'un système passif qui utilise le mouvement naturel de l'air, l'air chaud se refroidissant en s'élevant. Il s'agit de la convection naturelle. Elle convient aux onduleurs de faible puissance (généralement moins de 1 à 2 kW) dans lesquels la production de chaleur peut être gérée. Elle présente l'avantage de ne pas comporter de pièces mobiles (bruit ou usure) et d'être peu coûteuse. Il est moins efficace en termes de surface et de température ambiante.
• Convection forcée : Avec les onduleurs de puissance supérieure, le refroidissement par air forcé consiste à déplacer de l'air sur les éléments générateurs de chaleur (tels que les modules de puissance utilisant des dissipateurs de chaleur) par l'intermédiaire de ventilateurs. Cela augmente considérablement le flux d'air et stimule le transfert de chaleur. Le refroidissement par air forcé est utilisé dans une grande variété d'applications d'onduleurs, notamment les onduleurs solaires résidentiels et de nombreux systèmes d'entraînement industriels. La conception d'un canal d'air approprié et d'un filtre à poussière est essentielle.

Refroidissement liquide : Gestion thermique haute performance

Le refroidissement par liquide est une meilleure solution lorsque les densités de puissance sont exceptionnellement élevées ou lorsque les onduleurs sont placés dans des conditions difficiles et confinées. La principale différence entre les liquides et l'air est que les liquides ont une conductivité thermique et une capacité calorifique beaucoup plus élevées que l'air, ce qui leur permet d'absorber et de transférer beaucoup plus facilement la chaleur.

• Refroidissement direct par liquide : Les pièces produisant de la chaleur sont en contact direct avec le liquide de refroidissement, qui a une conductivité thermique élevée. Bien que très efficace, ce système nécessite que les composants soient hermétiques et utilisables avec des liquides diélectriques pour éviter les courts-circuits électriques. Ce n'est pas habituel dans les onduleurs standard.
• Refroidissement indirect par liquide : Il s'agit d'une méthode plus courante. Les composants générateurs de chaleur sont installés sur une plaque froide, et le liquide de refroidissement circule dans des canaux sur cette plaque et élimine la chaleur. Il est ensuite acheminé vers un radiateur et, dans de nombreux cas, vers des ventilateurs. Un tel système comprend normalement une pompe, un réservoir et des échangeurs de chaleur.

Les commandes de moteurs industriels de grande puissance et les onduleurs à grande échelle nécessitent un refroidissement par liquide, et les onduleurs de traction des véhicules électriques sont encore plus exigeants en termes de taille compacte et de densité de puissance élevée. Le refroidissement par liquide est plus sophistiqué et plus coûteux à mettre en œuvre, mais il est plus efficace sur le plan thermique pour permettre des densités de puissance plus élevées et un fonctionnement plus fiable dans des applications difficiles.

Technologies de refroidissement avancées et émergentes

Outre les systèmes classiques à air et à liquide, de nouveaux systèmes sont en cours de développement :

• Matériaux à changement de phase (PCM) : Les matériaux à changement de phase absorbent et libèrent d'énormes quantités de chaleur latente lorsqu'ils changent de phase (c'est-à-dire de solide à liquide). Les MCP peuvent également être utilisés pour fournir un refroidissement passif et transitoire, par exemple pour amortir les pics thermiques, afin de permettre à un onduleur de fonctionner momentanément à des charges élevées sans surchauffe.
• Caloducs et chambres à vapeur : Ces dispositifs passifs permettent de transférer beaucoup de chaleur (efficacité de transfert thermique très élevée) sur des distances relativement importantes avec une faible différence de température en utilisant le changement de phase d'un fluide de travail. Ils sont couramment utilisés dans la conception des dissipateurs thermiques pour disperser la chaleur plus efficacement sur un point chaud.
• Refroidissement par pulvérisation et impact des jets : Le refroidissement par pulvérisation et l'impaction par jet sont des formes avancées de refroidissement par liquide dans lesquelles le liquide de refroidissement pulvérisé ou les jets de liquide de refroidissement à grande vitesse sont dirigés vers des surfaces chaudes proches d'elles. Cela produit un transfert de chaleur très localisé et efficace, ce qui le rend approprié au régime de densité de puissance extrêmement élevée.

Choisir la bonne solution de refroidissement pour votre onduleur

Pour trouver la meilleure solution de refroidissement disponible, il est important de prendre en compte les paramètres suivants de manière réfléchie afin de répondre aux exigences thermiques et aux objectifs opérationnels et économiques.

1. Puissance nominale et production de chaleur : Les onduleurs de faible puissance peuvent être refroidis à l'air par convection naturelle, les modèles de puissance plus élevée nécessiteront de l'air forcé, et pour les onduleurs de très grande puissance, le refroidissement par liquide est typique. La première chose à faire est de calculer correctement la quantité de chaleur à dissiper.
2. Conditions environnementales : Les températures ambiantes sont plus élevées, ce qui réduit en partie l'efficacité du refroidissement. Les boîtiers étanches ou le refroidissement par liquide sont plus appropriés, car les environnements poussiéreux ou corrosifs peuvent obstruer les filtres à air ou détruire les composants.
3. Limites de poids et d'espace : Le refroidissement par liquide peut permettre d'évacuer une grande quantité d'énergie sur une petite surface par rapport à un dissipateur thermique refroidi par air parce qu'il est plus grand. Dans les conceptions compactes telles que les véhicules électriques, le refroidissement par liquide peut permettre d'augmenter la puissance dissipée.
4. Exigences en matière de bruit : Dans les applications résidentielles ou de bureau, le bruit du ventilateur peut être un problème. Les ventilateurs EC, même à pleine vitesse, peuvent être plus silencieux lorsqu'ils fonctionnent à faible charge, grâce au contrôle étroit de la vitesse.
5. Coût (initial et opérationnel) : Le refroidissement par liquide peut être simplement plus cher à l'achat que le refroidissement par air. Néanmoins, le coût d'exploitation (énergie, coûts de maintenance) et la longue durée de vie de l'onduleur ne doivent pas être négligés, car un coût initial supplémentaire peut générer un bénéfice élevé à long terme.
6. Fiabilité et maintenance : Les systèmes à convection naturelle comportent généralement moins de pièces mobiles et sont donc plus fiables. Les systèmes à air forcé nécessitent le nettoyage fréquent des filtres et le remplacement du ventilateur. Les systèmes de refroidissement par liquide nécessitent une surveillance du niveau de liquide et un contrôle de la pompe.

En évaluant correctement ces aspects, il est possible de permettre aux fabricants du processus de prendre des décisions en connaissance de cause afin d'employer une stratégie de refroidissement qui permettrait d'optimiser les performances des onduleurs, de maximiser le facteur de forme et de fournir une stratégie d'atténuation basée sur le risque.

ACDFAN : Votre partenaire pour un refroidissement fiable par Inverter

ACDCFAN est un partenaire à long terme d'une excellente gestion thermique et une entreprise originale dans le monde difficile de la gestion thermique des onduleurs, capable d'offrir une solution de refroidissement flexible qui évite les défaillances coûteuses du système et prolonge considérablement la durée de vie de votre électronique de puissance critique. Avec plus de 20 ans d'expérience inlassable dans le domaine de la fabrication de ventilateurs, nous connaissons parfaitement les particularités de la dissipation thermique et les exigences strictes des différents types de conditions industrielles et technologiques.

Les ventilateurs de refroidissement à inverseur fabriqués par ACDCFANs ont une grande durabilité intégrée et une performance d'air stable. Par exemple, nos ventilateurs CC de haute qualité sont dotés d'un moteur de ventilateur sans balais et d'une technologie innovante qui leur confère un niveau de protection IP maximal allant jusqu'à IP68. Ils sont donc parfaitement adaptés aux conditions les plus difficiles auxquelles les onduleurs sont exposés, et les risques de pannes dues à la poussière et à l'humidité sont minimes.

Nos ventilateurs sont faits pour durer. Les cadres de nos ventilateurs de refroidissement d'onduleur utilisent le meilleur des meilleurs alliages d'aluminium ADC-12, mélangé à 3 à 5 % de cuivre. La résistance et la dissipation thermique de qualité supérieure de cette composition distinctive garantissent la conformité aux exigences strictes de la directive ROHS 2.0. Une telle sélection de matériaux, associée à une production précise, se traduit directement par une durée de vie exceptionnelle de 70 000 heures à une température de fonctionnement maximale de 40 °C. Cela équivaut à plus de huit ans d'utilisation. Cela équivaut à plus de huit ans de fonctionnement ininterrompu, ce qui signifie qu'il y aura une forte réduction de la fréquence de remplacement et des temps d'arrêt liés à la maintenance du système.

Nous bénéficions de nombreuses certifications internationales, telles que CE, UL, RoHS et TUV. Toutes ces certifications peuvent être décrites comme l'assurance que nous respecterons les réglementations internationales en matière de sécurité, de respect de l'environnement et de performance, ce qui rassure nos clients.

Nous sommes conscients du fait qu'une livraison rapide est essentielle. Pour faciliter cette mise en œuvre rapide et le soutien de nos clients, nous avons rationalisé nos processus, y compris la logistique et la production, pour ne prendre qu'une à deux semaines pour livrer nos ventilateurs axiaux à nos clients. Cette souplesse signifie que vous obtenez les solutions de refroidissement de haute performance dont vous avez besoin dès que vous en avez besoin pour que vos projets respectent les délais et que vos opérations fonctionnent sans heurts.

Conclusion

La gestion efficace de la chaleur dans les onduleurs n'est pas facultative ; c'est un pilier fondamental de leur fiabilité à long terme et de leur succès opérationnel. À mesure que les densités de puissance augmentent et que les applications deviennent plus exigeantes, le besoin de solutions de refroidissement robustes et efficaces ne fera que croître. De la convection naturelle au refroidissement par liquide, chaque méthode offre un avantage stratégique en fonction de l'application spécifique et de ses contraintes uniques, qu'il s'agisse de relever les défis de la chaleur dans les environnements industriels ou d'optimiser les performances dans les installations sensibles à la température.

Investir dans une technologie de refroidissement appropriée, adaptée à la puissance, à l'environnement et au profil opérationnel de l'onduleur, est une mesure proactive qui donne des résultats substantiels. Elle atténue les risques coûteux de déclassement, de défaillance prématurée des composants et de temps d'arrêt imprévus, tout en prolongeant la durée de vie d'un équipement précieux. En fin de compte, un onduleur bien refroidi fonctionne de manière fiable, efficace et pendant de nombreuses années, assurant ainsi la continuité et la rentabilité des entreprises dans tous les secteurs. En comprenant la science de la chaleur et en adoptant des stratégies de refroidissement avancées, nous ouvrons la voie à un avenir plus fiable et durable, alimenté par des onduleurs efficaces.