Phương thức làm mát (Cooling method) là gì?

Dòng "Cooling" trên datasheet biến tần

Dòng "Cooling" nằm trong nhóm thông số chung của datasheet Huawei, cùng cấp bảo vệ IP, dải nhiệt độ làm việc và độ cao vận hành.[3] Huawei SUN2000-3/4/5/6/8/10KTL-M1 ghi "Cooling: Natural convection", tức đối lưu tự nhiên.[3] Huawei SUN2000-150K-MG0 ghi "Cooling Method: Smart Air Cooling", tức làm mát không khí thông minh.[4] Dải nhiệt độ làm việc của Victron MultiPlus-II được ghi kèm chú thích "fan-assisted cooling", tức làm mát có quạt hỗ trợ.[12]

Làm mát thụ động và làm mát chủ động

Làm mát thụ động (Passive cooling) dựa vào đối lưu tự nhiên của không khí.[2] Làm mát chủ động (Active cooling) dùng quạt đặt bên trong máy để chủ động tránh các vùng nhiệt tập trung.[2]

Nhiệt trong biến tần sinh ra từ đâu?

Tổn hao trong biến tần được mô hình hóa thành ba phần.[13] Phần thứ nhất là điện tự dùng không đổi của mạch phụ và mạch kích.[13] Phần thứ hai là tổn hao chuyển mạch và sụt áp trên mối nối bán dẫn, phần thứ ba là tổn hao điện trở.[13] Cách đọc hiệu suất chuyển đổi trên datasheet được trình bày ở bài Hiệu suất tối đa.

Để thấy vì sao có biến tần dùng quạt và có biến tần không dùng quạt, cần xem đường đi của nhiệt ra không khí.

Đường đi của nhiệt từ mối nối ra không khí

Nhiệt trở từ mối nối ra không khí θJA gồm hai đoạn nối tiếp: từ mối nối tới vỏ θJC và từ vỏ ra không khí θCA.[7] Khi linh kiện gắn bộ tản nhiệt, bộ tản nhiệt có nhiệt trở riêng θCA, tính bằng °C/W.[7]

Bộ tản nhiệt (Heat sink) là gì?

Bộ tản nhiệt (Heat sink) là bộ phận có nhiệt trở thấp gắn thêm vào linh kiện để giúp đưa nhiệt ra ngoài.[7] Ở dòng biến tần Sungrow CX, quạt đẩy không khí đi qua bộ tản nhiệt.[14] Trong một thử nghiệm biến tần theo các bậc nhiệt độ, cảm biến cặp nhiệt điện được gắn trên bộ tản nhiệt của biến tần.[15] Bộ trao đổi nhiệt dùng cho hệ thống lớn hơn được trình bày ở bài Thiết bị trao đổi nhiệt.

Nhiệt trở (Thermal resistance) là gì?

Nhiệt trở (Thermal resistance) là độ chênh nhiệt độ chia cho công suất tiêu tán, tính bằng °C/W.[6][7] Độ tăng nhiệt độ bằng công suất nhiệt nhân với nhiệt trở.[7] Nhiệt trở của vật dẫn nhiệt tương tự điện trở trong mạch điện.[7]

Đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

Đối lưu (Convection) là truyền nhiệt khi có dòng chất lưu chuyển động trên bề mặt vật rắn.[8] Đối lưu tự nhiên là dòng chảy tự duy trì do chênh lệch nhiệt độ, sinh ra từ lực đẩy nổi.[8] Đối lưu cưỡng bức dùng phương tiện bên ngoài để tạo dòng chảy.[8]

Từ hai kiểu đối lưu này hình thành các phương thức làm mát cụ thể in trên datasheet biến tần và hệ lưu trữ.

Đối lưu tự nhiên (Natural convection)

Biến tần làm mát thụ động dùng bộ tản nhiệt lớn để giữ nhiệt độ bên trong thấp, nên máy thường nặng.[2] Huawei SUN2000-3KTL đến 10KTL-M1 dùng đối lưu tự nhiên, cấp bảo vệ IP65 và nặng 17 kg kể cả giá treo.[3]

Làm mát bằng quạt (Forced air cooling)

Làm mát bằng quạt dùng quạt tạo luồng không khí đi qua bộ tản nhiệt, ví dụ ở dòng Sungrow CX.[14] Thêm luồng gió làm nhiệt trở giảm thêm.[7] Biến tần làm mát chủ động chỉ cần bộ tản nhiệt nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều, theo whitepaper của Fronius.[2] Biến tần Victron MultiPlus-II làm mát có quạt hỗ trợ và có cấp bảo vệ IP22.[12]

Làm mát bằng quạt thông minh (Smart fan cooling)

Ở biến tần Fronius làm mát chủ động, tốc độ quạt thay đổi theo nhiệt độ bên trong máy.[2] Quạt của biến tần Fronius chỉ chạy hết tốc độ khi nhiệt độ môi trường đạt 60 °C.[2] Ở dòng Sungrow CX, quạt điều chỉnh tốc độ theo thay đổi của nhiệt độ môi trường.[14]

Làm mát bằng chất lỏng (Liquid cooling)

Chất lỏng đối lưu cưỡng bức có hệ số truyền nhiệt h lên tới 20.000 W/m²K.[8][9] Khí đối lưu cưỡng bức chỉ có h trong khoảng 25 đến 250 W/m²K.[8][9] Hệ lưu trữ Sungrow PowerTitan 2.0 dùng hệ điều khiển nhiệt độ bằng chất lỏng thông minh để tối ưu điện tự dùng phụ trợ.[5] Một số loại tụ điện cũng có thể dùng làm mát chủ động để giảm nhiệt độ điểm nóng.[10] Đổi lại, hệ làm mát làm tăng chi phí, kích thước, khối lượng và thêm khả năng hỏng mới trong chính hệ làm mát.[10]

Lý do biến tần và hệ lưu trữ cần các phương thức làm mát trên nằm ở ảnh hưởng của nhiệt độ lên tuổi thọ linh kiện.

Nhiệt độ mối nối tối đa của linh kiện bán dẫn

Mỗi linh kiện bán dẫn có một nhiệt độ mối nối tối đa cho phép riêng.[16] Khi nhiệt độ mối nối vượt mức này, linh kiện không còn giữ được các thông số ghi trong catalog.[16] Module IGBT FZ1200R33KF2C có nhiệt độ định mức tối đa 150 °C.[18] Thiết kế biến tần dùng module IGBT này đặt mục tiêu nhiệt độ mối nối tối đa 125 °C.[18] Ứng suất nhiệt do tổn hao công suất quá lớn thường làm hỏng module IGBT mật độ công suất cao.[18]

Chu kỳ nhiệt (Thermal cycling)

Chu kỳ nhiệt được xem là tác nhân gây ứng suất quan trọng nhất trong hệ biến tần.[19] Biên độ dao động nhiệt độ mối nối ΔTj ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy của linh kiện.[16] Tuổi thọ IGBT giảm khi nhiệt độ mối nối trung bình tăng.[16]

Tụ điện nhôm và quy tắc 10 °C

Nhiệt độ là một trong các tác nhân quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ tin cậy của tụ điện.[10] Bay hơi chất điện phân là cơ chế hao mòn chính của tụ nhôm cỡ nhỏ.[10] Với tụ nhôm ở khâu trung gian một chiều, cơ chế hỏng chính là mất chất điện phân do ứng suất nhiệt.[17] Quy tắc kinh nghiệm thường dùng cho tụ điện là mỗi lần nhiệt độ tăng 10 °C, tuổi thọ giảm khoảng một nửa.[2] Vai trò của tụ ở khâu trung gian một chiều được trình bày ở bài Thanh cái DC.

Mô hình tuổi thọ tụ điện theo nhiệt độ

Mô hình tuổi thọ rút gọn cho tụ nhôm và tụ màng gồm tuổi thọ khi thử, một thừa số điện áp và một thừa số nhiệt độ.[10] Thừa số nhiệt độ trong mô hình làm tuổi thọ giảm một nửa mỗi khi nhiệt độ sử dụng cao hơn nhiệt độ thử 10 °C.[10] Quy tắc kinh nghiệm cho tụ điện trong whitepaper của Fronius cho cùng mức giảm một nửa khi nhiệt độ tăng 10 °C.[2] Quan hệ nhiệt độ trong mô hình rút gọn chỉ là gần đúng.[10]

Yêu cầu về nhiệt độ trong IEC 62109-1

Theo IEC 62109-1, bộ chuyển đổi công suất điện mặt trời phải bảo vệ người vận hành và khu vực xung quanh trước nhiệt độ quá mức.[20] Tiêu chuẩn có mục 4.3 về thử nhiệt (Thermal testing) và mục 4.3.2 về nhiệt độ tối đa (Maximum temperatures).[20] Bảng 3 quy định giới hạn nhiệt độ chạm cho các bề mặt tiếp cận được.[20]

Mục 5 trình bày cách tính nhiệt độ linh kiện từ công suất nhiệt và nhiệt trở.

Công thức nhiệt độ mối nối

Nhiệt độ mối nối TJ (°C) = Nhiệt độ môi trường TA (°C) + Công suất nhiệt P (W) × Nhiệt trở θJA (°C/W).[6][7] Giá trị θJA được đo bằng cách lấy chênh lệch giữa nhiệt độ mối nối và nhiệt độ môi trường, chia cho công suất tiêu tán.[6] Theo công thức, khi TA tăng thêm 10 °C ở cùng P và θJA, TJ cũng tăng thêm 10 °C.

Hệ số truyền nhiệt đối lưu h

Hệ số truyền nhiệt đối lưu h có đơn vị W/m²K và nằm trong phương trình tốc độ truyền nhiệt đối lưu.[8] Hệ số h không phải tính chất của vật liệu, giá trị h phụ thuộc hình dạng, kiểu dòng chảy và tính chất nhiệt động của chất lưu.[8] Bảng dưới đây ghi các khoảng h điển hình được hai giáo trình truyền nhiệt cùng in.

Với không khí, mức h cao nhất của đối lưu cưỡng bức gấp 250 / 25 = 10 lần mức cao nhất của đối lưu tự nhiên.

Ví dụ tính nhiệt độ mối nối có và không có luồng gió

Ví dụ dưới đây dùng số liệu Analog Devices in cho linh kiện AD6645, để thấy luồng gió làm giảm nhiệt độ mối nối ra sao.

1. Đọc số liệu: θJA bằng 23 °C/W, công suất tiêu tán 1,75 W, nhiệt độ môi trường 85 °C.[7]
2. Tính độ tăng nhiệt độ: 1,75 × 23 = 40,25 °C.
3. Tính nhiệt độ mối nối: TJ = 85 + 40,25 = 125,25 °C, khớp mức khoảng 125,3 °C in trong tài liệu.[7]
4. Đọc số liệu khi có luồng gió 200 LFPM (feet mỗi phút): θJA giảm còn 17 °C/W.[7]
5. Tính lại: 1,75 × 17 = 29,75 °C, nên TJ = 85 + 29,75 = 114,75 °C, khớp mức khoảng 115 °C in trong tài liệu.[7]
6. So sánh hai trường hợp: luồng gió hạ nhiệt độ mối nối 125,25 − 114,75 = 10,5 °C.

Khi nhiệt độ mối nối tiến gần giới hạn cho phép, biến tần phải giảm công suất, nội dung của mục 6.

Giảm công suất theo nhiệt độ (Temperature derating)

Giảm công suất theo nhiệt độ là việc giảm có kiểm soát công suất biến tần.[11] Giảm công suất theo nhiệt độ ngăn các linh kiện bán dẫn nhạy cảm trong biến tần bị quá nóng.[11] Với Victron MultiPlus-II 48/5000, công suất liên tục là 4.000 W ở 25 °C, 3.700 W ở 40 °C và 3.000 W ở 65 °C.[12] Tính ra, máy giữ 3.700 / 4.000 = 92,5% công suất ở 40 °C và 3.000 / 4.000 = 75% ở 65 °C. Việc giảm công suất khi nhiệt độ môi trường tăng được mô tả ở Hình 2 của tiêu chuẩn datasheet EN 50524.[21] Dải nhiệt độ môi trường cho phép biến tần làm việc được trình bày ở bài Dải nhiệt độ làm việc.

Thử nghiệm đối lưu tự nhiên và làm mát cưỡng bức

Một nghiên cứu năm 2025 thử biến tần điện mặt trời thương mại với các bậc nhiệt độ từ 25 °C đến 60 °C.[15] Kết hợp làm mát cưỡng bức với đối lưu tự nhiên giữ được vận hành liên tục.[15] Chỉ dùng đối lưu tự nhiên làm nhiệt tích tụ dần và gây mất ổn định.[15] Một cách giảm công suất theo nhiệt độ là dịch điểm công suất cực đại MPP để tránh quá nhiệt.[15] Ở biến tần vi mô, hiệu suất chuyển đổi không thay đổi khi nhiệt độ vận hành tăng tới 50 °C.[22]

Độ cao lắp đặt làm giảm hiệu quả làm mát bằng không khí

Áp suất không khí thay đổi theo độ cao, nên hiệu quả làm mát của không khí cũng thay đổi.[6] Lắp ở độ cao lớn là một nguyên nhân làm biến tần SMA giảm công suất theo nhiệt độ.[11] Huawei SUN2000-10KTL-M1 vận hành tới độ cao 4.000 m và giảm công suất khi lắp trên 2.000 m.[3] Giới hạn độ cao trên datasheet được trình bày ở bài Độ cao vận hành tối đa.

Thông tin về làm mát, cấp bảo vệ và độ cao đều in trên datasheet, cách đọc trình bày ở mục 7.

Dòng làm mát trên datasheet của bốn sản phẩm

Bảng sau chép nguyên văn dòng làm mát của bốn sản phẩm, để minh họa cách ghi chứ không để so sánh hãng.

Dòng "Natural convection" cho biết máy dùng đối lưu tự nhiên, thường không có quạt.[3][2]

Phương thức làm mát và cấp bảo vệ IP

Ở dòng Sungrow CX, quạt làm mát đạt cấp IP68 còn khoang điện tử được làm kín đạt IP66.[14] Huawei SUN2000-150K-MG0 dùng Smart Air Cooling và đạt cấp bảo vệ IP66.[4] Ý nghĩa của từng chữ số trong cấp bảo vệ IP66 được trình bày ở bài IP66.

Phương thức làm mát và độ ồn

Biến tần làm mát thụ động thường không có quạt, nên độ ồn thấp hơn.[2] Biến tần làm mát chủ động có nhiều quạt hơn, nên có thể ồn hơn.[2] Giá trị phát thải tiếng ồn tối đa trong EN 50524:2021 được thống nhất với phương pháp đo nêu trong EN 62109-1.[21] Cách đo và đọc độ ồn của biến tần được trình bày ở bài Độ ồn inverter.

Hệ lưu trữ cũng ghi phương thức làm mát trên datasheet, với yêu cầu riêng của pin lithium ở mục 8.

Nhiệt độ làm pin lithium lão hóa nhanh

Nhiệt độ lõi pin tăng 10 K làm hiệu ứng lão hóa theo thời gian xấp xỉ tăng gấp đôi.[24] Vùng nhiệt độ thuận lợi cho pin lithium-ion trong hệ lưu trữ tĩnh là từ 10 °C đến 30 °C.[24]

Điện tự dùng cho làm mát và hiệu suất khứ hồi

Hiệu suất khứ hồi của hệ lưu trữ nhỏ hơn 1 do tổn hao quản lý nhiệt, điện tự dùng phụ trợ và tổn hao điện hóa.[25] PowerTitan 2.0 dùng hệ điều khiển nhiệt độ bằng chất lỏng nhằm tối ưu điện tự dùng phụ trợ.[5] Cấu trúc và thành phần của hệ lưu trữ được trình bày ở bài Hệ thống lưu trữ ESS.

Làm mát bằng chất lỏng trong hệ lưu trữ cỡ lớn

Hệ lưu trữ Sungrow PowerTitan 2.0 dung lượng 5.015 kWh dùng làm mát bằng chất lỏng thông minh.[5] Theo datasheet, khả năng tản nhiệt hiệu suất cao giúp tăng tuổi thọ pin và khả năng xả của hệ thống.[5]

Dù dùng phương thức làm mát nào, hiệu quả tản nhiệt thực tế còn phụ thuộc vị trí lắp và cách bảo trì ở mục 9.

Khoảng hở lắp đặt theo tài liệu SMA

Biến tần Sunny Tripower Smart Energy phải giữ khoảng hở khuyến nghị tới tường, tới biến tần khác và tới vật xung quanh.[26] Khi lắp nhiều máy ở nơi nhiệt độ môi trường cao, khoảng hở giữa các máy phải tăng lên và cần đủ không khí tươi.[26] Không khí tươi có thể cấp bằng quạt thông gió phòng, điều khiển qua rơ le đa chức năng của biến tần.[26] Biến tần SMA không được đặt dưới nắng chiếu trực tiếp và cần vị trí có đủ lưu thông không khí.[11]

Khoảng hở khi ghép song song biến tần Victron

Biến tần Victron MultiPlus-II phải lắp ở nơi khô ráo, thông gió tốt và mát.[27] Khi ghép nhiều máy song song, mỗi máy cần ít nhất 10 cm khoảng trống phía dưới, phía trên và hai bên để thông gió.[27]

Hướng lắp và luồng gió theo tài liệu Huawei và Fronius

Biến tần Huawei SUN2000 dòng M1 phải lắp ở nơi thông gió tốt để tản nhiệt tốt.[28] Máy lắp thẳng đứng hoặc ngả ra sau tối đa 15 độ để dễ tản nhiệt, và không khuyến nghị lắp chồng lên nhau.[28] Ở biến tần Fronius Symo GEN24, quạt hút không khí từ mặt trước và thổi ra hai bên hông.[29] Khe thông gió của GEN24 không được che, dù chỉ một phần.[29] Biến tần GEN24 tự giảm công suất phát hoặc công suất sạc khi nhiệt độ quá cao.[29] Nhiệt độ cao có thể do môi trường nóng hoặc thải nhiệt kém, ví dụ khi lắp trong tủ điện.[29]

Bụi bẩn và vệ sinh đường gió

Với làm mát thụ động, bụi và chất bẩn tích tụ phải được làm sạch theo chu kỳ bảo trì quy định.[2] Với làm mát chủ động, đường gió vẫn nên được kiểm tra định kỳ.[2] Ở dòng Sungrow CX, luồng gió mạnh của quạt đẩy bụi ra khỏi biến tần, theo tài liệu của hãng.[14]

Tuổi thọ quạt và thay quạt

Quạt làm mát chủ động của Fronius được thiết kế cho tuổi thọ ít nhất 20 năm.[2] Theo dữ liệu nhà cung cấp quạt, tuổi thọ trên 80.000 giờ áp dụng khi quạt vận hành ở điện áp định mức.[2] Tổng số quạt hỏng dưới 0,1% số biến tần Fronius đã bán.[2] Quạt của dòng Sungrow CX thay được trong vòng 1 phút khi bảo trì.[14]

Mục 10 trả lời các câu hỏi thường gặp khi chọn và lắp biến tần theo phương thức làm mát.