Hochspannungs-Frequenzumrichter sind große elektronische Geräte mit hohen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen. Statistiken zum Betrieb mehrerer Geräte zeigen, dass ein erheblicher Anteil der Geräteausfälle auf zu hohe Umgebungstemperaturen zurückzuführen ist. Daher haben wir drei gängige Lösungen zur Wärmeabfuhr für Anwender zusammengefasst. Berechnung der Verluste von Hochspannungs-Frequenzumrichtern und Anforderungen an die Umgebungstemperatur: Das von Beijing Leadway Electric Technology Co., Ltd. hergestellte Hochspannungs-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Schaltschrank, Leistungsschrank und Transformatorschrank. Dieses System verwendet mehrere Radialventilatoren zur Wärmeabfuhr. Am Beispiel eines 630-kW/6-kV-Frequenzumrichters befinden sich zwei Ventilatoren auf dem Leistungsschrank und in der Regel ein Ventilator auf dem Transformatorschrank. Die Ventilatoren sind Radialventilatoren der deutschen Firma EBM, die sich durch hohe Zuverlässigkeit und hervorragende Leistung auszeichnen. Je nach Nennleistung des Frequenzumrichters werden einphasige oder dreiphasige Ventilatoren eingesetzt. Das Nennluftvolumen des Einphasenventilators beträgt 2500 m³/h, das des Dreiphasenventilators 3300 m³/h. Das gesamte Abluftvolumen des Frequenzumrichters ergibt sich aus dem Abluftvolumen eines einzelnen Ventilators multipliziert mit der Anzahl der Ventilatoren. Im Volllastbetrieb beträgt der Gesamtverlust des Frequenzumrichters (in Form von Wärme) ca. 3 % der Nennleistung des Systems. Beispielsweise würde ein 1000-kW-Frequenzumrichter im Volllastbetrieb ca. 30 kW Wärme abgeben. Würde eine so große Wärmemenge in den Aufstellungsraum abgegeben, stiege die Raumtemperatur rapide an, was den ordnungsgemäßen Betrieb des Frequenzumrichters erheblich beeinträchtigen würde. Um einen langfristig stabilen und zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters zu gewährleisten, gelten für die Aufstellungsumgebung folgende Anforderungen: Minimale Umgebungstemperatur -5 °C, maximale Umgebungstemperatur 40 °C, und die Temperaturschwankung der Betriebsumgebung darf 5 °C/h nicht überschreiten. Wenn die Umgebungstemperatur den zulässigen Wert überschreitet, sollten geeignete Wärmeabfuhreinrichtungen in Betracht gezogen werden. 1. Wärmeabfuhrlösungen vor Ort: Für unterschiedliche Umgebungsbedingungen bieten wir drei Wärmeabfuhrlösungen an: Nachrüstung einer Klimaanlage, Installation von Luftkanälen oder eines Wasser-Luft-Kühlsystems. 1. Nachrüstung einer Klimaanlage: 1.1 Bei der Installation einer Klimaanlage für den Frequenzumrichter sollte der Platzbedarf im Kontrollraum des Frequenzumrichters so gering wie möglich gehalten und eine ordnungsgemäße Abdichtung gewährleistet sein. 1.2 Kriterien für die Bestimmung der Klimaanlagenleistung: Die Klimaanlagenleistung wird anhand der Wärmeabgabe des Wechselrichters und der nutzbaren Fläche des Kontrollraums ausgewählt. 1.2.1 Berechnung der Kühlleistung: Die Wärmeabgabe des Wechselrichters wird unter Berücksichtigung eines gewissen Sicherheitsspielraums anhand der Betriebsbedingungen ausgewählt. Die maximale Wärmeabgabe beträgt 4 % der Nennleistung des Wechselrichters. Bei einer dauerhaften Betriebsfrequenz unter 40 Hz kann die Wärmeabgabe auf 2 % der Nennleistung des Wechselrichters geschätzt werden. Berechnung der Klimaanlagenleistung basierend auf der nutzbaren Raumfläche: Die für die Kühlung eines einzelnen Raumes benötigte Klimaanlagenleistung wird im Allgemeinen mit 150 Watt pro Quadratmeter berechnet. Die Gesamtkühlleistung der Klimaanlage ergibt sich aus der Wärmeabgabe des Wechselrichters zuzüglich der für den Raum benötigten Kühlleistung. 1.2.2 Auswahl der Klimaanlage: Die sogenannte „PS“-Angabe einer Klimaanlage bezog sich ursprünglich auf die Eingangsleistung, einschließlich der vom Kompressor, Lüftermotor und den elektronischen Steuerungskomponenten verbrauchten Energie. Die Kühlleistung wird auf Basis der Ausgangsleistung berechnet. Im Allgemeinen beträgt die Kühlleistung einer 1-PS-Klimaanlage (PS) etwa 2000 kcal. Umgerechnet in internationale Einheiten multipliziert man dies mit 1,162. Somit beträgt die Kühlleistung von 1 PS 2000 kcal × 1,162 = 2324 W. Hierbei steht W (Watt) für die Kühlleistung. Eine Klimaanlage mit 1,5 PS (1,5 PS) hätte einen Wärmebedarf von 2000 kcal × 1,5 × 1,162 = 3486 W usw. Darauf basierend lassen sich die Leistung (PS) und die Kühlleistung einer Klimaanlage grob bestimmen. Im Allgemeinen gelten 2200–2600 W als 1 PS (1,5 PS), 4500–5100 W als 2 PS (1,5 PS) und 3200–3600 W als 1,5 PS (1,5 PS). 1.3 Vor- und Nachteile der Wärmeabfuhr von Klimaanlagen: Vorteile: Da kein direkter Luftaustausch zwischen Innen- und Außenbereich stattfindet, lässt sich ein sauberes Raumklima leichter aufrechterhalten. Nachteile: Die Zuverlässigkeit der Klimaanlage beeinflusst den stabilen Betrieb des Wechselrichters, was zu höheren Anschaffungs- und Betriebskosten führen kann. 2.2.1 Berechnung des Lüftungsvolumens für zusätzliche Luftkanäle: Das gesamte Abluftvolumen des Frequenzumrichters ergibt sich aus dem Abluftvolumen eines einzelnen Ventilators multipliziert mit der Anzahl der Ventilatoren. Der Volumenstrom eines einphasigen Ventilators beträgt 2500 m³/h, der eines dreiphasigen Ventilators 3300 m³/h. Die Zuluft- und Abluftvolumina des Frequenzumrichterraums müssen diesen Werten entsprechen. 2.2 Kanalauslegung: Bei der herkömmlichen Auslegung werden Luftkanäle am Schaltschrank installiert, um die vom Frequenzumrichter erzeugte Wärme direkt nach außen abzuführen. Kühle Luft wird kontinuierlich über den Lufteinlass des Frequenzumrichterraums zugeführt, um das System zu kühlen. Die Fläche des Lufteinlasses muss anhand der spezifischen Systembedingungen bestimmt werden. Der Lufteinlass sollte mit einem Luftfilter mit einer Maschenweite von maximal 5 × 5 mm ausgestattet sein. Das Lüftungsvolumen Qf des Systems kann, unter der Annahme, dass die Luftgeschwindigkeit V am Lufteinlass 3 m/s nicht überschreitet, mit der Formel Qf = S × V berechnet werden, wobei die Fläche des Lufteinlasses S ≈ Qf / V ist. Gemäß dem Wärmeabfuhrprinzip des luftgekühlten Systems gilt: △Q = △t × Qf × Cp × ρ, wobei: △Q: Gesamtleistungsverlust des Systems; △t: Temperaturdifferenz zwischen Lufteinlass und -auslass; Qf: Gesamtlüftungsvolumen; Cp: spezifische Wärmekapazität der Luft: 1005 J/kg℃; ρ: Dichte der Luft: 1,165 kg/m³. Ausgehend von den obigen Bedingungen wird △t (Temperaturdifferenz zwischen Lufteinlass und -auslass) berechnet. Befindet sich der obere Lüfter des Wechselrichterschranks in unmittelbarer Nähe des Luftauslasses (weniger als 2 Meter, ohne Krümmungen), ist kein zusätzlicher Abluftlüfter am Luftauslass erforderlich. Ist die Installation des Lufteinlasses vor Ort aufwendig und müssen die Luftkanäle Krümmungen aufweisen, kann ein Zwangsluftventilator in Betracht gezogen werden. Die Installation der Luftkanäle kann nach der Wechselrichterinstallation vor Ort erfolgen. Unsere Installations- und Inbetriebnahmetechniker stehen Ihnen dabei gerne mit Rat und Tat zur Seite. Es ist zu beachten, dass die Luftkanäle des Transformatorschranks und des Leistungsschranks getrennt verlaufen müssen, da sonst die Wärmeabfuhr der Leistungseinheiten beeinträchtigt wird. 2.3 Vor- und Nachteile der Luftkanalkühlung: Vorteile: Geringe Kosten, hohe Zuverlässigkeit, gute Wärmeabfuhr. Nachteile: Nicht geeignet für Umgebungen mit hoher Staub- und Schmutzbelastung. 3. Wasser-Luft-Kühlung 3.1 Funktionsprinzip des Wasser-Luft-Kühlsystems: Die vom Wechselrichter erzeugte Heißluft wird über Kanäle mit einem Kühler verbunden, an dem fest installierte Wasserkühlleitungen angeschlossen sind. Kühlwasser mit einer Temperatur unter 33 °C durchströmt den Kühler. Nachdem die Heißluft den Kühlkörper passiert hat, gibt sie Wärme an das Kühlwasser ab und wird als kühle Luft aus dem Kühlkörper ausgestoßen. Die Wärme wird durch das zirkulierende Kühlwasser abgeführt, wodurch eine konstante Temperatur im Wechselrichter-Kontrollraum gewährleistet wird. Luftkühler müssen in einem geschlossenen System installiert werden. Um die Kühlleistung zu optimieren, sollte der Platzbedarf für die Geräte so gering wie möglich sein. Das dem Luftkühler zugeführte Wasser ist Zirkulationswasser. Zum Schutz der Geräte muss das Zirkulationswasser einen neutralen pH-Wert aufweisen und frei von Verunreinigungen sein, die Kupfer und Eisen korrodieren oder beschädigen könnten. Der Wassereintrittsdruck beträgt üblicherweise 0,2 MPa, die Wassereintrittstemperatur ≤ 33 °C. Luftkühler sind wartungsarm und müssen in der Regel alle sechs Monate gewartet werden. 3.2 Anforderungen vor Ort nach der Installation des Luftkühlers am Frequenzumrichter: Der Luftkühler muss angehoben werden. Daher muss das Dach über der Hebevorrichtung mit Vierkant- oder U-Profilen aus Stahlträgern versehen sein. Zusatzausrüstung für den Luftkühler, wie z. B. Durchflussmesser (optional), Regelventile und Filter, sollte idealerweise separat vom Frequenzumrichter installiert werden. Das temporäre Gehäuse für die Installation der Ausrüstung muss abgedichtet und mit Isoliermaterial ausgekleidet sein. Die technischen Spezifikationen des Luftkühlers lauten wie folgt: Zulaufwassertemperatur: ≤ 33 °C, Betriebswasserdruck: 0,2 MPa, Wasserdurchfluss: ≥ 24,5 m³/h, Rohrinnendurchmesser: Φ 80 mm. Unter Berücksichtigung der oben genannten Bedingungen kann folgende Zusatzausrüstung für den Luftkühler beschafft werden: Wasserpumpe, Durchflussmesser, Regelventil, Filter, Wasserleitungen (nahtlose Leitungen) und weitere Komponenten.