Resfriamento de um inversor de frequência: prova de conceito de uma nova geometria para aplicações submarinas

Abstract

O inversor de frequência é um equipamento essencial ao funcionamento de instalações elétricas. Ele permite modular a carga dos motores, fazer uma partida suave e monitorar parâmetros elétricos relevantes. Um desafio na utilização de tal dispositivo em condições de operação típicas de aplicações submarinas é mantê-lo isolado eletricamente e com a temperatura do circuito de potência abaixo de 75ºC. O presente trabalho então, propõe, através do uso de uma geometria inovadora para um invólucro contendo óleo isolante, uma opção viável e eficiente para o gerenciamento térmico de inversores de frequência submarinos. Através do uso de correlações de transferência de calor de convecção natural para corpos aquecidos em cavidades, foi desenvolvido um modelo de rede térmica para um invólucro de geometria anular. Este modelo, combinado a um algoritmo genético desenvolvido em linguagem Python, forneceu os valores ótimos dos parâmetros geométricos do invólucro capaz de resfriar um circuito de inversor de frequência NPC multinível, que dissipa 420 W de potência elétrica. A partir desses valores, um protótipo de invólucro e um circuito de potência representativo foram construídos com a finalidade de validar o modelo desenvolvido e avaliar o novo conceito de sistema de resfriamento por imersão direta. Os resultados obtidos com o modelo de rede térmica acoplado a um solver de volumes finitos para estimar distribuição de temperaturas nas placas do inversor se mostraram satisfatórios, uma vez que, sem a adoção de nenhum parâmetro de ajuste para calibrar o modelo, a temperatura nas placas de circuito não superou 64,9ºC e a temperatura estimada para os componentes eletrônicos através do modelo apresentou um desvio máximo de 7,2ºC (acima da temperatura obtida experimentalmente). Por fim, o desenvolvimento de uma correlação simplificada apresentou um desvio máximo nos números de Nusselt e Rayleigh de 14,3% e 5,6%, o que comprova a eficácia dos métodos de análise desenvolvidos na dissertação.

Abstract: The frequency inverter is an essential equipment for the operation of electrical installations. It allows one to modulate the load of motors, make a smooth start and monitor relevant electrical parameters. A challenge in using such a device under typical underwater application operating conditions is to keep it insulated electrically and the power circuit temperature below 75 °C. The present work proposes, through the use of an innovative geometry for an enclosure containing insulating oil, a viable and efficient option for the thermal management of underwater frequency inverters. Through the use of natural convection heat transfer correlations for heated bodies inside sealed cavities, a thermal network model was developed for an annulus-shaped enclosure. This model, combined with a genetic algorithm developed in Python language, provided the optimum values of the geometric parameters of the enclosure capable of cooling a multi-frequency NPC frequency inverter circuit, which dissipates 420 W of electrical power. From these values, a prototype enclosure and a representative power circuit were constructed with the purpose of validating the developed model and evaluating the new concept of direct immersion cooling system. The results obtained with the thermal network model coupled to a finite volume solver to estimate the temperature distribution on the inverter circuit board were satisfactory, since, without the adoption of any fitting parameters to calibrate the model, the circuit board temperature did not exceed 64.9 °C and the model temperature for the electronic components showed a maximum deviation of 7.2 °C (above the temperature experimentally obtained). Finally, the development of a simplified correlation presented a maximum deviation in the Nusselt and Rayleigh numbers of 14.3% and 5.6%, which proves the efficacy of the analysis methods developed in the dissertation