Prefazione

Gli inverter sono componenti fondamentali, in quanto convertono la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) per alimentare qualsiasi cosa, dagli impianti solari ai veicoli elettrici e ai macchinari industriali. Nonostante la loro diffusione, devono affrontare una sfida cruciale: il calore. Il processo di conversione dell'energia genera inevitabilmente carichi termici significativi che richiedono una ventilazione e una gestione termica adeguate. Se il calore non viene gestito, un inverter affidabile può diventare rapidamente una fonte di frustrazione e di perdite finanziarie sostanziali.

La buona notizia è che con strategie di raffreddamento adeguate, queste sfide sono del tutto gestibili. Questo articolo spiegherà il ruolo indispensabile di un corretto raffreddamento degli inverter, analizzando come viene generato il calore, le conseguenze di un abbandono termico, le soluzioni di raffreddamento disponibili e come una gestione termica intelligente sia un investimento proattivo contro i costosi guasti del sistema.

Il ruolo critico del raffreddamento degli inverter nella longevità del sistema

Gli inverter possono essere utilizzati in molti modi pannelli solari, veicoli elettrici (EV), macchinari industriali e telecomunicazioni., tra gli altri campi. L'aspetto più critico in tutti è la competenza nella gestione della potenza. Questa affidabilità è dovuta alla corretta gestione del calore. Inoltre, c'è sempre del calore che gli inverter producono a causa delle inefficienze della conversione di potenza, soprattutto nella composizione dei semiconduttori. Quando questo calore non viene dissipato in modo efficace, si accumula, dando luogo a temperature interne elevate. Temperature elevate e prolungate riducono notevolmente la durata dei componenti elettronici e compromettono l'affidabilità dell'inverter.

Cosa succede se un inverter si surriscalda?

I risultati di un inverter surriscaldato sono più di una semplice seccatura. Si traducono in una serie di effetti negativi sulle prestazioni, sulla durata di vita e, infine, sui profitti.

• Prestazioni compromesse e penalizzazione dell'efficienza: Le basse temperature interne fanno sì che l'inverter limiti automaticamente la potenza massima che può generare per evitare gravi danni dovuti al derating (interno) indotto dalla temperatura. Nel caso di un inverter solare, ciò implica una riduzione dei kilowatt prodotti e dello spreco di denaro. In un ambiente industriale, ciò può significare una riduzione della produttività e del lavoro.
• Guasti precoci del chip e del sistema: Le temperature elevate per un lungo periodo di tempo aumentano l'usura di componenti elettronici critici come i semiconduttori (ad esempio, IGBT e MOSFET). A titolo di esempio, si può prevedere che molti componenti elettronici si guastino due volte più rapidamente a 10 °C in più rispetto alla temperatura di esercizio. Ciò si traduce in un guasto prematuro dei componenti molto prima del previsto, che richiede costose riparazioni o addirittura la sostituzione dell'intero inverter, con conseguenti tempi di inattività e disagi.
• Invalidità della garanzia e rischi per la sicurezza: Anche le azioni correttive utilizzate per ridurre o arrestare il surriscaldamento in situazioni estreme possono causare danni duraturi e persino incendi. L'intervallo di temperatura di funzionamento è definito dalla maggior parte delle garanzie d'uso dei produttori di inverter; il superamento di tali intervalli a causa della mancanza di raffreddamento può invalidare la garanzia e l'utente è l'unico a dover sostenere i costi di riparazione e sostituzione.

Capire la generazione di calore negli inverter

Le principali fonti di calore in un inverter sono le perdite nel processo di conversione dell'inverter nei suoi interruttori a semiconduttore (ad esempio, IGBT, MOSFET, diodi), nei componenti magnetici (induttori, trasformatori) e nei componenti resistivi. Sebbene tali componenti siano necessari per convertire l'energia, non sono del tutto efficienti nella conversione e solo una parte specifica dell'energia elettrica sarà sempre convertita in calore.

• Perdite di commutazione: Anche le perdite di commutazione possono essere un importante generatore di calore nei semiconduttori di potenza e rappresentano una perdita di energia ogni volta che un dispositivo si accende o si spegne. Quanto più alta è la frequenza di commutazione (come quella tipica degli inverter moderni e compatti), tanto maggiori possono essere queste perdite.
• Perdite di conduzione: Nello stato conduttivo di un dispositivo semiconduttore, si verifica una caduta di tensione attraverso il dispositivo e quindi una perdita di I2R (corrente al quadrato per resistenza). Queste perdite sono perpetue.
• Perdite magnetiche: Il calore supplementare è generato dai componenti degli induttori e dei trasformatori, che comprendono le perdite del nucleo e le perdite di rame (perdita I2R negli avvolgimenti).

L'aggregazione di queste perdite, moltiplicata per le crescenti densità di potenza nei moderni circuiti degli inverter, richiede che la progettazione degli inverter richieda soluzioni di gestione termica superiori. La temperatura interna di questi componenti supererà presto i limiti massimi di funzionamento e causerà gravi conseguenze senza un'efficiente rimozione del calore.

L'alto costo del surriscaldamento: Rischi e conseguenze

Gli effetti indiretti o diretti di una gestione termica tardiva negli inverter sono significativi e, di conseguenza, hanno un ruolo nelle finanze, nelle operazioni e nella sicurezza.

• Implicazioni finanziarie: Gli inverter surriscaldati sono inefficienti e scaricano l'energia in calore, causando un aumento delle bollette elettriche. La rapida usura dei componenti rende più costosa la riparazione e la sostituzione. Inoltre, il funzionamento entro limiti di temperatura non specificati può rendere nulla la garanzia per i proprietari, che finiscono per assumersi tutta la responsabilità finanziaria della loro riparazione.
• Interruzioni del funzionamento: Un guasto al PC può causare l'interruzione della produttività, sia che si tratti di generare elettricità attraverso un impianto solare o di produrre beni attraverso una fabbrica. Infatti, ogni ora di inattività equivale a un'ora di scadenze e di mancati guadagni. Il derating riduce anche l'output dell'inverter e quindi il sistema complessivo da esso alimentato è sottoperformante.
• Sicurezza e ambiente: In casi estremi, il costante surriscaldamento provoca rischi di incendio. Anche la sostituzione degli inverter danneggiati causa spesso rifiuti elettronici, che rappresentano un costo ambientale.

Ad esempio, un inverter solare da 100 kW che subisce un declassamento di soli 5% per 6 ore al giorno nell'arco di un anno, con un prezzo dell'elettricità di $0,15/kWh, perderebbe circa $2,700 annualmente ($0,15/kWh 5 kW 6 ore/giorno * 365 giorni/anno). Nel corso della durata di vita prevista dell'inverter (10-20 anni), questa apparentemente piccola inefficienza si accumula in un sostanziale danno finanziario.

Diversi approcci per un raffreddamento efficace degli inverter

Per ovviare alla produzione di calore, gli ingegneri applicano diversi sistemi di raffreddamento. Entrambi hanno particolari punti di forza, debolezze e buone pratiche.

Raffreddamento ad aria: Convezione naturale o forzata

Il più semplice e solitamente il meno costoso è il raffreddamento ad aria, che è anche il meno costoso.

• Convezione naturale: È passiva e sfrutta il movimento naturale dell'aria: l'aria calda si raffredda salendo. Si parla di convezione naturale. È appropriata negli inverter di bassa potenza (generalmente inferiori a 1-2 kW) in cui è possibile gestire la produzione di calore. I vantaggi sono l'assenza di parti in movimento (rumore o usura) e il basso costo. È meno efficace in termini di superficie e temperatura ambiente.
• Convezione forzata: Con gli inverter di maggiore potenza, il raffreddamento ad aria forzata aggiunge il movimento dell'aria sugli elementi che generano calore (come i moduli di potenza che utilizzano dissipatori di calore) tramite ventole. Questo aumenta enormemente il flusso d'aria, incrementando il trasferimento di calore. Il raffreddamento ad aria forzata viene applicato a un'ampia gamma di applicazioni di inverter, tra cui gli inverter solari residenziali e molti inverter industriali. La progettazione di un canale d'aria e di un filtraggio della polvere adeguati è essenziale.

Raffreddamento a liquido: Gestione termica ad alte prestazioni

Il raffreddamento a liquido è una soluzione migliore quando le densità di potenza sono insolitamente elevate o quando gli inverter sono collocati in condizioni difficili e ristrette. La differenza principale tra i liquidi e l'aria è che i liquidi hanno una conducibilità termica e una capacità termica molto più elevate dell'aria, quindi sono molto più capaci di assorbire e trasferire il calore.

• Raffreddamento diretto a liquido: Le parti che producono calore entrano in contatto diretto con il liquido di raffreddamento, che ha un'elevata conduttività termica. Sebbene sia altamente efficiente, i componenti devono essere ermetici e utilizzabili con liquidi dielettrici per evitare cortocircuiti elettrici. Questo non è molto comune negli inverter standard.
• Raffreddamento indiretto a liquido: Più che altro, si tratta di una soluzione comune. I componenti che generano calore sono installati su una piastra fredda e il liquido di raffreddamento scorre attraverso i canali su di essa e rimuove il calore. Il liquido di raffreddamento passa poi su un radiatore e, in molti casi, su ventole. Un sistema di questo tipo comprende normalmente una pompa, un serbatoio e degli scambiatori di calore.

Gli azionamenti dei motori industriali ad alta potenza e gli inverter di grandi dimensioni richiedono il raffreddamento a liquido e i requisiti degli inverter di trazione dei veicoli elettrici (EV) sono ancora più esigenti per quanto riguarda le dimensioni compatte e l'alta densità di potenza. Il raffreddamento a liquido è più sofisticato e costoso da utilizzare, ma più efficace dal punto di vista termico per consentire densità di potenza maggiori e un funzionamento più affidabile in applicazioni difficili.

Tecnologie di raffreddamento avanzate ed emergenti

Oltre ai classici sistemi ad aria e a liquido, è in corso lo sviluppo di nuovi sistemi:

• Materiali a cambiamento di fase (PCM): I materiali a cambiamento di fase assorbono e rilasciano enormi quantità di calore latente quando cambiano fase (ad esempio, solido-liquido). I PCM possono essere utilizzati anche per fornire un raffreddamento passivo e transitorio, ad esempio per tamponare i picchi termici e consentire a un inverter di lavorare momentaneamente a carichi elevati senza surriscaldarsi.
• Tubi di calore e camere di vapore: Trasferiscono molto calore (efficienza di trasferimento del calore molto elevata) su distanze relativamente grandi con una piccola differenza di temperatura utilizzando il cambiamento di fase di un fluido di lavoro in questi dispositivi passivi. Sono comunemente utilizzati nella progettazione dei dissipatori di calore per disperdere il calore in modo più efficiente su un punto caldo.
• Raffreddamento a spruzzo e impingement a getto: Il raffreddamento a spruzzo e l'impingement del getto sono forme avanzate di raffreddamento a liquido in cui spruzzi di refrigerante o getti ad alta velocità di refrigerante sono diretti verso superfici calde vicine ad esse. Ciò produce un trasferimento di calore molto localizzato ed efficiente, che lo rende adatto al regime di densità di potenza estremamente elevato.

Selezione della giusta soluzione di raffreddamento per l'inverter

Per trovare la migliore soluzione di raffreddamento disponibile, è importante considerare con attenzione i seguenti parametri, in modo da soddisfare i requisiti termici, gli obiettivi operativi ed economici.

1. Valutazione della potenza e produzione di calore: Gli inverter di bassa potenza possono essere raffreddati ad aria per convezione naturale, i modelli di potenza superiore richiedono l'uso di aria forzata, mentre per gli inverter di potenza molto elevata è tipico il raffreddamento a liquido. La prima cosa da fare è calcolare correttamente la quantità di calore da dissipare.
2. Condizioni ambientali: Le temperature ambientali sono più elevate e riducono in parte l'efficacia del raffreddamento. Gli involucri sigillati o il raffreddamento a liquido sono più adatti, poiché gli ambienti polverosi o comunque corrosivi possono intasare i filtri dell'aria o distruggere i componenti.
3. Limiti di peso e di spazio: Il raffreddamento a liquido può fornire un'elevata rimozione di potenza in un'area ridotta rispetto a un dissipatore di calore raffreddato ad aria, poiché è più grande. In progetti compatti come quelli dei veicoli elettrici, il raffreddamento a liquido può consentire una maggiore rimozione di potenza.
4. Requisiti di rumorosità: Nelle applicazioni residenziali o in ufficio, il rumore del ventilatore può essere un problema. I soffiatori EC, anche a piena velocità, possono essere più silenziosi quando funzionano a basso carico, grazie allo stretto controllo della velocità.
5. Costo (iniziale e operativo): Il raffreddamento a liquido può essere semplicemente più costoso da acquistare rispetto al raffreddamento ad aria. Tuttavia, non bisogna trascurare i costi di esercizio (energia, costi di manutenzione) e la lunga durata dell'inverter, perché un costo iniziale aggiuntivo può generare un profitto elevato nel lungo periodo.
6. Affidabilità e manutenzione: I sistemi a convezione naturale hanno di solito meno parti in movimento e sono quindi più affidabili. I sistemi ad aria forzata richiedono la pulizia frequente dei filtri e la sostituzione della ventola. I sistemi di raffreddamento a liquido richiedono il monitoraggio del livello del fluido e il controllo della pompa.

Valutando adeguatamente questi aspetti, è possibile consentire ai produttori del processo di prendere decisioni informate per impiegare una strategia di raffreddamento che contribuisca a garantire prestazioni ottimali degli inverter, a massimizzare il fattore di forma e a fornire una strategia di mitigazione dei rischi.

ACDFAN: Il vostro partner per un raffreddamento affidabile con inverter

ACDCFAN è un partner di lunga data per una gestione termica eccellente e un'azienda originale nel difficile mondo della gestione termica degli inverter, in grado di offrire una soluzione di raffreddamento flessibile che evita costosi guasti al sistema e prolunga notevolmente la vita della vostra elettronica di potenza critica. Con oltre 20 anni di esperienza nel settore della produzione di ventilatori, conosciamo bene le particolarità della dissipazione del calore e i severi requisiti delle diverse condizioni industriali e tecnologiche.

Le ventole di raffreddamento a inverter prodotte da ACDCFANs sono caratterizzate da un'elevata durata e da prestazioni d'aria costanti. Ad esempio, le nostre ventole DC di alta qualità sono dotate di un motore brushless e di una tecnologia innovativa che garantisce un livello di protezione IP massimo fino a IP68. Ciò significa che sono in grado di resistere sempre sott'acqua e quindi sono perfettamente adatte alle condizioni più difficili a cui sono esposti gli inverter, con scarse possibilità di guasti causati da polvere e umidità.

Le nostre ventole sono costruite in modo da garantire la resistenza. I telai delle nostre ventole di raffreddamento per inverter utilizzano il meglio dell'alluminio legato ADC-12, mescolato con il 3-5% di rame. La resistenza e la dissipazione del calore di altissima qualità di questa composizione distintiva garantiscono la conformità ai severi requisiti ROHS 2.0. Una simile selezione di materiali, unita a una produzione accurata, si traduce direttamente in un'eccezionale durata di 70.000 ore a una temperatura operativa massima di 40 °C. Ciò equivale a più di otto anni. Ciò equivale a più di otto anni di funzionamento ininterrotto, il che significa che si ridurrà notevolmente la frequenza delle sostituzioni e dei tempi di inattività dovuti alla manutenzione del sistema.

Siamo la qualità delle numerose certificazioni internazionali, come CE, UL, RoHS e TUV. Tutte queste certificazioni possono essere descritte come la garanzia che rispetteremo le normative internazionali in materia di sicurezza, conformità con l'ambiente e prestazioni, il che offre ai nostri clienti il massimo comfort.

Siamo consapevoli del fatto che una consegna rapida è molto importante. Per facilitare questa rapida implementazione e il supporto ai nostri clienti, abbiamo ottimizzato i nostri processi, compresi quelli logistici e produttivi, in modo da impiegare solo 1-2 settimane per consegnare i nostri ventilatori assiali ai nostri clienti. Questa agilità consente di ottenere le soluzioni di raffreddamento ad alte prestazioni di cui avete bisogno non appena le richiedete, per mantenere i vostri progetti nei tempi previsti e le vostre operazioni senza intoppi.

Conclusione

Una gestione efficace del calore negli inverter non è facoltativa, ma è un pilastro fondamentale della loro affidabilità a lungo termine e del loro successo operativo. Con l'aumento delle densità di potenza e le applicazioni più esigenti, la necessità di soluzioni di raffreddamento robuste ed efficienti è destinata a crescere. Dalla convezione naturale al raffreddamento a liquido, ogni metodo offre un vantaggio strategico a seconda dell'applicazione specifica e dei suoi vincoli unici, che si tratti di affrontare le sfide del riscaldamento in ambienti industriali o di ottimizzare le prestazioni in installazioni sensibili alla temperatura.

Investire in una tecnologia di raffreddamento appropriata, adattata alla potenza, all'ambiente e al profilo operativo dell'inverter, è una misura proattiva che offre notevoli vantaggi. Riduce i rischi costosi di derating, guasti prematuri dei componenti e tempi di inattività imprevisti, prolungando al contempo la durata di vita delle preziose apparecchiature. In definitiva, un inverter ben raffreddato funziona in modo affidabile, efficiente e per molti anni, garantendo continuità e redditività alle aziende di tutti i settori. Comprendendo la scienza del calore e adottando strategie di raffreddamento avanzate, apriamo la strada a un futuro più affidabile e sostenibile alimentato da inverter efficienti.