Prefácio

Os inversores são componentes vitais, convertendo corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA) para alimentar tudo, desde sistemas solares a veículos eléctricos e maquinaria industrial. Apesar da sua utilização generalizada, enfrentam um desafio crítico: o calor. O processo de conversão de energia gera inevitavelmente cargas térmicas significativas que requerem ventilação e gestão térmica adequadas. Se este calor não for gerido, um inversor fiável pode rapidamente tornar-se uma fonte de frustração e de perdas financeiras substanciais.

A boa notícia é que, com estratégias de arrefecimento adequadas, estes desafios são totalmente controláveis. Este artigo explicará o papel indispensável de um arrefecimento adequado do inversor, explorando a forma como o calor é gerado, as consequências da negligência térmica, as soluções de arrefecimento disponíveis e a forma como a gestão térmica inteligente é um investimento proactivo contra falhas dispendiosas do sistema.

O papel crítico do arrefecimento do inversor na longevidade do sistema

Existem inúmeras utilizações de inversores em painéis solares, veículos eléctricos (VE), maquinaria industrial e telecomunicaçõesentre outros domínios. O aspeto mais crítico em todos eles é a sua competência na gestão da energia. Esta fiabilidade deve-se à gestão adequada do calor. Além disso, há sempre calor que os inversores produzem devido a ineficiências na conversão de energia, principalmente nas suas composições semicondutoras. Quando esse calor não é dissipado de forma eficaz, acumula-se, resultando em temperaturas internas elevadas. As temperaturas elevadas prolongadas reduzem consideravelmente a vida útil dos componentes electrónicos e afectam a fiabilidade do inversor.

O que acontece se um inversor sobreaquecer?

Os resultados de um inversor sobreaquecido são mais do que um simples incómodo. Resultam numa sequência de efeitos adversos no desempenho, na vida útil e, por último, no seu resultado final.

• Desempenho prejudicado e penalização da eficiência: As baixas temperaturas internas fazem com que o inversor limite automaticamente a potência máxima que pode criar para evitar danos graves devido à desclassificação induzida pela temperatura (interna). No caso de um inversor solar, isso implicaria menos quilowatts produzidos e dinheiro desperdiçado. Num ambiente industrial, pode significar uma redução da produtividade e do trabalho.
• Falhas precoces do chip e do sistema: As temperaturas elevadas durante um longo período de tempo aumentam o desgaste dos componentes electrónicos críticos, como os semicondutores (por exemplo, IGBTs e MOSFETs). Por exemplo, é de esperar que muitos componentes electrónicos falhem duas vezes mais rapidamente a 10 °C acima da temperatura de funcionamento. Isto resulta na avaria prematura de peças muito antes do que seria de esperar, exigindo reparações dispendiosas ou mesmo a substituição de todo o inversor, e obrigando a paragens nas operações com os inconvenientes daí resultantes.
• Invalidação da garantia e riscos de segurança: Mesmo as acções corretivas utilizadas para reduzir ou parar o sobreaquecimento em situações extremas podem causar danos duradouros e até provocar incêndios. A gama de temperaturas de funcionamento é definida pela maioria das garantias de utilização dos fabricantes de inversores; se exceder essas gamas devido a uma falta de arrefecimento, a sua garantia pode tornar-se inválida e só o utilizador terá de suportar os custos de reparação e substituição.

Compreender a produção de calor nos inversores

As principais fontes de calor num inversor são, em primeiro lugar, as perdas no processo de conversão no inversor nos seus interruptores semicondutores (por exemplo, IGBTs, MOSFETs, díodos), componentes magnéticos (indutores, transformadores) e componentes resistivos. Embora estes componentes sejam necessários para converter a energia, não são totalmente eficientes na sua conversão, e apenas uma parte específica da energia eléctrica será sempre convertida em calor.

• Perdas de comutação: As perdas de comutação também podem ser um grande gerador de calor nos semicondutores de potência e representam uma perda de energia sempre que um dispositivo é ligado ou desligado. Quanto maior for a frequência de comutação (como é típico dos inversores modernos e compactos), maiores podem ser estas perdas.
• Perdas de condução: No estado condutor de um dispositivo semicondutor, há uma queda de tensão através do dispositivo e, por conseguinte, uma perda de I2R (corrente ao quadrado vezes resistência). Estas perdas são perpétuas.
• Perdas magnéticas: O calor adicional é gerado pelos componentes dos indutores e transformadores, que incluem as perdas do núcleo e as perdas de cobre (perdas I2R nos seus enrolamentos).

A agregação destas perdas, multiplicada pelas crescentes densidades de potência nos circuitos dos inversores modernos, exige que o projeto do inversor exija soluções de gestão térmica superiores. A temperatura interna destes componentes excederá em breve os seus limites máximos de funcionamento e causará consequências graves se não houver uma remoção eficiente do calor.

O elevado custo do sobreaquecimento: Riscos e consequências

Os efeitos indirectos ou diretos de uma gestão térmica tardia nos inversores são significativos, pelo que desempenham um papel nas finanças, nas operações e na segurança.

• Implicações financeiras: Os inversores sobreaquecidos são ineficientes e transformam a energia em calor, provocando o aumento das facturas de eletricidade. O desgaste rápido dos componentes torna a sua reparação e substituição mais dispendiosas. Além disso, o funcionamento dentro de limites de temperatura não especificados pode tornar as garantias nulas para os proprietários, que acabam por assumir toda a responsabilidade financeira pela sua reparação.
• Interrupções de funcionamento: A avaria de um PC pode provocar a paragem da produtividade, quer se trate da produção de eletricidade através de uma central solar ou da produção de bens através de uma fábrica. Isto porque cada hora de paragem é uma hora de prazos e de perda de receitas. A desativação reduz também a produção do inversor, pelo que o sistema global por ele alimentado tem um desempenho inferior.
• Preocupações com a segurança e o ambiente: Em casos extremos, o sobreaquecimento constante provoca riscos de incêndio. Além disso, a substituição de inversores danificados provoca frequentemente resíduos electrónicos, o que representa um custo ambiental.

Por exemplo, um inversor solar de 100 kW com uma redução de apenas 5% durante 6 horas por dia ao longo de um ano, com eletricidade ao preço de $0,15/kWh, perderia aproximadamente $2,700 anualmente ($0,15/kWh 5 kW 6 horas/dia * 365 dias/ano). Ao longo da vida útil esperada de 10-20 anos do inversor, esta ineficiência aparentemente pequena acumula-se num prejuízo financeiro substancial.

Diversas abordagens para uma refrigeração eficaz do inversor

Para ultrapassar a produção de calor, os engenheiros aplicam vários sistemas de arrefecimento. Ambos têm pontos fortes, pontos fracos e melhores práticas.

Arrefecimento do ar: Convecção natural vs. forçada

O mais simples e normalmente o menos dispendioso é o arrefecimento a ar, que é também o menos dispendioso.

• Convecção natural: Este processo é passivo e utiliza o movimento natural do ar, uma vez que o ar quente arrefece ao subir. É designada por Convecção Natural. É adequado para inversores de baixa potência (geralmente menos de 1-2 kW) nos quais a produção de calor pode ser gerida. As suas vantagens são o facto de não ter partes móveis (gera ruído ou desgaste) e ser de baixo custo. É menos eficaz em termos de área de superfície e de temperatura ambiente.
• Convecção forçada: Com inversores de maior potência, o arrefecimento por ar forçado adiciona ar em movimento sobre os elementos geradores de calor (tais como módulos de potência que utilizam dissipadores de calor) através de ventoinhas. Isto aumenta tremendamente o fluxo de ar, aumentando a transferência de calor. O arrefecimento por ar forçado é utilizado numa grande variedade de aplicações de inversores, incluindo inversores solares residenciais e muitas unidades industriais. A conceção de um canal de ar adequado e a filtragem de poeiras são essenciais.

Arrefecimento líquido: Gestão térmica de alto desempenho

O arrefecimento por líquido é a melhor solução quando as densidades de potência são invulgarmente elevadas ou quando os inversores são colocados em condições difíceis e confinadas. A maior diferença entre os líquidos e o ar é que os líquidos têm uma condutividade térmica e uma capacidade de calor muito superiores às do ar, pelo que são muito mais capazes de absorver e transferir calor.

• Arrefecimento direto por líquido: As peças que produzem calor entram em contacto direto com o líquido de arrefecimento, que tem uma elevada condutividade térmica. Embora altamente eficiente, necessita que os componentes sejam herméticos e utilizáveis com líquidos dieléctricos para evitar curto-circuitos eléctricos. Isto não é habitual nos inversores normais.
• Arrefecimento líquido indireto: Isto é mais comum. Os componentes geradores de calor são instalados numa placa fria e o líquido de arrefecimento flui através dos seus canais, removendo o calor. Passa depois para um radiador e, em muitos casos, para ventoinhas. Um sistema deste tipo inclui normalmente uma bomba, um reservatório e permutadores de calor.

Os accionamentos de motores industriais de alta potência e os inversores de serviços públicos de grande escala requerem refrigeração líquida, e os requisitos dos inversores de tração de veículos eléctricos (EV) são ainda mais exigentes no que diz respeito ao tamanho compacto e à elevada densidade de potência. O arrefecimento por líquido é mais sofisticado e dispendioso, mas é mais eficaz do ponto de vista térmico para permitir maiores densidades de potência e um funcionamento mais fiável em aplicações exigentes.

Tecnologias de arrefecimento avançadas e emergentes

Para além dos sistemas clássicos de ar e de líquido, há um desenvolvimento atual de novos sistemas:

• Materiais de mudança de fase (PCMs): Os materiais de mudança de fase absorvem e libertam enormes quantidades de calor latente quando mudam de fase (ou seja, sólido-líquido). Os PCMs também podem ser utilizados para fornecer arrefecimento passivo e transitório, como amortecimento de picos térmicos, para permitir que um inversor trabalhe momentaneamente com cargas elevadas sem sobreaquecer.
• Tubos de calor e câmaras de vapor: Transferem muito calor (eficiência de transferência de calor muito elevada) em distâncias relativamente grandes com uma pequena diferença de temperatura, utilizando a mudança de fase de um fluido de trabalho nestes dispositivos passivos. São normalmente utilizados na conceção de dissipadores de calor para dispersar o calor de forma mais eficiente num ponto quente.
• Arrefecimento por pulverização e impacto de jato: O arrefecimento por pulverização e o impacto do jato são formas avançadas de arrefecimento de líquidos em que o spray de refrigerante ou os jactos de refrigerante de alta velocidade são dirigidos para superfícies quentes próximas das mesmas. Isto produz uma transferência de calor muito localizada e eficiente, tornando-a apropriada para o regime de densidade de potência extremamente elevada.

Selecionar a solução de arrefecimento correta para o seu inversor

Para encontrar a melhor solução de arrefecimento disponível, é importante considerar os seguintes parâmetros com um sentido ponderado, de modo a cumprir os requisitos térmicos e os objectivos operacionais e económicos.

1. Classificação da potência e produção de calor: Os inversores de baixa potência podem ser arrefecidos a ar por convecção natural, os modelos de potência mais elevada requerem ar forçado e, nos inversores de potência muito elevada, o arrefecimento por líquido é típico. A primeira coisa a fazer é calcular corretamente a quantidade de calor que deve ser dissipada.
2. Condições ambientais: As temperaturas ambiente são mais elevadas, diminuindo em parte a eficácia do arrefecimento. Os invólucros selados ou o arrefecimento por líquido são mais adequados, uma vez que os ambientes poeirentos ou corrosivos podem entupir os filtros de ar ou destruir os componentes.
3. Limitações de peso e espaço: O arrefecimento por líquido pode proporcionar uma elevada remoção de energia numa área pequena, em comparação com um dissipador de calor arrefecido a ar, porque é maior. Em projectos compactos, como um veículo elétrico, o arrefecimento por líquido pode permitir uma maior remoção de energia.
4. Requisitos em matéria de ruído: Em aplicações residenciais ou de escritório, o ruído do ventilador pode ser um problema. Os ventiladores EC, mesmo à velocidade máxima, podem ser mais silenciosos quando funcionam a baixa carga, graças ao controlo rigoroso da velocidade.
5. Custo (inicial e operacional): O arrefecimento a líquido pode ser simplesmente mais caro quando comparado com o arrefecimento a ar. No entanto, o custo de operação (energia, custos de manutenção) e a longa vida útil do inversor não devem ser negligenciados, porque um custo inicial extra pode gerar um lucro elevado a longo prazo.
6. Fiabilidade e manutenção: Os sistemas de convecção natural têm normalmente menos peças móveis, pelo que são mais fiáveis. Os sistemas de ar forçado requerem a limpeza frequente dos filtros e a substituição da ventoinha. Os sistemas de arrefecimento por líquido requerem a monitorização do nível do fluido e o controlo da bomba.

Avaliando adequadamente estes aspectos, é possível permitir que os fabricantes do processo tomem decisões informadas para empregar uma estratégia de arrefecimento que ajude a proporcionar um desempenho ótimo dos inversores, maximizar o fator de forma e fornecer uma estratégia de mitigação baseada no risco.

ACDFAN: O seu parceiro na refrigeração fiável por inversor

A ACDCFAN é um parceiro de longa data de uma excelente gestão térmica e uma empresa original no difícil mundo da gestão térmica de inversores, capaz de oferecer uma solução de arrefecimento flexível que evita falhas dispendiosas do sistema e prolonga consideravelmente a vida útil da sua eletrónica de potência crítica. Com mais de 20 anos de experiência incansável na esfera do fabrico de ventiladores, conhecemos perfeitamente as particularidades da dissipação de calor e os requisitos rigorosos de diferentes tipos de condições industriais e tecnológicas.

As ventoinhas de arrefecimento com inversor fabricadas pela ACDCFANs têm uma elevada durabilidade e um desempenho de ar constante. Por exemplo, as nossas ventoinhas DC de alta qualidade têm um design de motor de ventoinha sem escovas e tecnologia inovadora para proporcionar um nível máximo de proteção IP de até IP68. Isto significa que são capazes de resistir a estar sempre debaixo de água e, portanto, são perfeitamente adequados para as condições mais difíceis a que os inversores estão expostos, e as hipóteses de falhas causadas por poeira e humidade são reduzidas.

As nossas ventoinhas são fabricadas com resistência. As estruturas das nossas ventoinhas de arrefecimento do inversor utilizam a melhor das melhores ligas de alumínio ADC-12, que é misturada com 3-5% de cobre. A resistência e a dissipação de calor de alta qualidade desta composição distinta garantem a conformidade com os rigorosos requisitos ROHS 2.0. Esta seleção de materiais, associada a uma produção precisa, resulta diretamente numa vida útil excecional de 70.000 horas a uma temperatura de funcionamento máxima de 40 °C. Isto equivale a mais de oito anos de funcionamento ininterrupto, o que significa que haverá uma grande redução na frequência de substituição e nos tempos de inatividade relacionados com a manutenção do sistema.

Somos a qualidade das extensas certificações internacionais, tais como CE, UL, RoHS e TUV. Todas estas certificações podem ser descritas como garantia de que cumpriremos os regulamentos internacionais de segurança, conformidade com o ambiente e desempenho, o que dá conforto aos nossos clientes.

Estamos conscientes do facto de que a entrega rápida é muito importante. Para facilitar esta rápida implementação e apoio aos nossos clientes, optimizámos os nossos processos, incluindo a logística e a produção, de modo a que a entrega dos nossos ventiladores axiais aos nossos clientes demore apenas 1 a 2 semanas. Esta agilidade significa que obtém as soluções de arrefecimento de elevado desempenho de que necessita, logo que as necessita, para manter os seus projectos a tempo e as suas operações a funcionar sem problemas.

Conclusão

A gestão eficaz do calor nos inversores não é opcional; é um pilar fundamental da sua fiabilidade a longo prazo e do seu sucesso operacional. À medida que as densidades de potência aumentam e as aplicações se tornam mais exigentes, a necessidade de soluções de arrefecimento robustas e eficientes não pára de crescer. Da convecção natural ao arrefecimento líquido, cada método oferece uma vantagem estratégica, dependendo da aplicação específica e das suas restrições únicas, quer se trate de desafios de aquecimento em ambientes industriais ou da otimização do desempenho em instalações sensíveis à temperatura.

Investir numa tecnologia de arrefecimento adequada, adaptada à potência, ao ambiente e ao perfil operacional do inversor, é uma medida proactiva que produz retornos substanciais. Reduz os riscos dispendiosos de desclassificação, falha prematura de componentes e tempo de inatividade inesperado, ao mesmo tempo que prolonga a vida útil de equipamento valioso. Em última análise, um inversor bem arrefecido funciona de forma fiável, eficiente e durante muitos anos, garantindo a continuidade e a rentabilidade das empresas em todos os sectores. Ao compreendermos a ciência do calor e ao adoptarmos estratégias de arrefecimento avançadas, abrimos caminho para um futuro mais fiável e sustentável, alimentado por inversores eficientes.