Análise de alternativas de gerenciamento térmico para o inversor de frequência de um compressor de capacidade variável

Abstract

Compressores de refrigeração operando com motores elétricos de velocidade variável possibilitam a redução do consumo de energia ao modular a capacidade de refrigeração de acordo com a demanda do refrigerador. Esses motores elétricos necessitam de um inversor de frequência para modular a frequência da corrente elétrica, já que a frequência da corrente disponível na rede é nominalmente constante. A geração de calor nos componentes eletrônicos que constituem o inversor pode resultar em temperaturas de operação elevadas e, consequentemente, na falha desses componentes. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo de simulação numérica para a análise de alternativas de gerenciamento térmico do inversor. O modelo foi desenvolvido com o emprego de dois códigos comerciais de CFD especializados em análise térmica de sistemas eletrônicos, permitindo uma avaliação comparativa dos mesmos e a seleção daquele mais adequado para a análise do inversor. Os resultados do modelo selecionado foram validados a partir de comparação com dados experimentais de temperatura, observando-se desvio máximo de 8,7°C para a condição referência. Uma vez validado, o modelo foi empregado para investigar os modos de transferência de calor que ocorrem no inversor. Análises paramétricas do problema foram também realizadas, variando-se condições de troca de calor, tais como temperatura e velocidade do ar no ambiente externo, e aspectos construtivos do inversor, tais como propriedades dos materiais. Por fim, alternativas de gerenciamento térmico que não alteram o projeto eletrônico do inversor foram propostas e analisadas através do modelo numérico. O modelo numérico mostrou-se adequado para a análise, permitindo estabelecer diretrizes para o projeto térmico de inversores de frequência. Por exemplo, reduções de até 6 °C nas temperaturas dos componentes operando a 105 °C foram obtidas com a modificação do projeto do dissipador metálico.

Abstract: Refrigeration compressors operating with variable-speed electric motors enable the reduction of energy consumption by modulating the cooling capacity according to the refrigerator load. These electric motors require a frequency inverter to vary the frequency of the electric current, since the frequency of the current available in the network is nominally constant. Heat losses in the electronic components of the inverter can result in high operating temperatures and hence component failure. The aim of this work is twofold. First to develop a simulation model to predict the temperature distribution in the frequency inverter. Secondly to analyze alternatives of thermal management for a frequency inverter of a variable-capacity compressor. The model was developed by using two CFD commercial programs specialized in electronics applications and the most suitable program was then selected for this application. The numerical results were validated by comparison with experimental data of temperature. The software selected for the analysis showed a maximum difference of 8,7 °C in comparison with the measurements. After being validated, the model was used to assess the parameters that considerably affect the heat transfer in the inverter, such as the external ambient temperature, compressor speed, geometry and material properties. Finally, three thermal management proposals that do not change the electronic layout of the inverter were analyzed with the simulation model. The simulation model was shown to be suitable for this application, allowing to identify guidelines for the thermal design of frequency inverters. For instance, temperature reductions of up to 6 °C were achieved in some components operating at 105 °C by changing the heat sink design.