Dacă ați instalat vreodată un convertizor de frecvență VFD într-o regiune muntoasă, ați lucrat la o bandă transportoare într-un site minier de mare altitudine sau ați întreținut un sistem HVAC într-un oraș ascuns în Anzi, probabil că v-ați confruntat cu aceeași problemă: acel VFD pe care l-ați instalat la nivelul mării se supraîncălzește, se împiedică prematur sau scad complet atunci când altitudinea scad puțin, dar temperatura scad în totalitate. 1.000 de metri. În calitate de furnizor de VFD care a petrecut 12 ani depanând sistemele din peste 30 de țări, vă pot spune că aceasta nu este o problemă de „unitate proastă” – este o problemă de derating la altitudine mare și este una dintre cele mai frecvente și mai greșite greșeli pe care instalatorii noi (și chiar unii ingineri experimentați) le fac atunci când lucrează cu unități de frecvență variabilă.
Să începem cu elementele de bază pe care majoritatea ghizilor VFD le omit, deoarece înțelegerea de ce altitudinea vă afectează VFD-ul pune bazele pentru derating corect. VFD-urile sunt construite cu componente semiconductoare - IGBT-uri, diode, condensatoare - care se bazează pe aerul ambiental pentru a elimina căldura reziduală generată în timpul funcționării. La nivelul mării, aerul este dens, plin de oxigen și molecule de aer minuscule care mișcă căldura eficient, astfel încât ventilatorul de răcire și radiatoarele interne ale unui VFD funcționează conform proiectării. Când urcați peste 1.000 de metri (3.280 de picioare), densitatea aerului scade cu aproximativ 1% pentru fiecare 100 de metri de înălțime. În momentul în care atingeți 2.500 de metri (8.200 de picioare), aerul este cu 75% la fel de dens ca la nivelul mării, iar această scădere a densității este exact motivul pentru care VFD-ul dvs. nu poate disipa căldura așa cum trebuie. Aerul mai puțin dens înseamnă mai puține molecule care transportă căldura departe de componentele interne ale VFD-ului, astfel încât acele părți sunt mai fierbinți decât temperatura lor nominală, chiar dacă aerul din jur se simte rece.
Aici intervine derating: este procesul de reducere a puterii de ieșire a VFD-ului pentru a se potrivi cu capacitatea redusă de disipare a căldurii la altitudine mare. Alternativa este lăsarea VFD-ului să se închidă sau să eșueze prematur, ceea ce este mai costisitor doar în timpul nefuncționării decât abordarea deratingului în avans. Dar deratingul nu este un număr unic – există variabile care schimbă cât de mult trebuie să reduceți, iar omiterea acestor detalii este punctul în care am văzut chiar și echipele de inginerie de top greșesc.
Mai întâi, să vorbim despre liniile directoare oficiale, pentru că sunt un bun punct de plecare, dar nu sunt sfârșitul poveștii. Majoritatea producătorilor de VFD (inclusiv cei cu care suntem parteneri) specifică că pentru fiecare 100 de metri peste 1.000 de metri, trebuie să reduceți puterea VFD-ului cu aproximativ 1% - dar aceasta este o regulă generală, nu o linie dură. Există excepții de la regula de 1% la 100 m, iar aceste excepții se rezumă la doi factori mari: metoda de răcire a VFD-ului și temperatura ambiantă la locul dvs. Așteptați, corect - metoda de răcire este uriașă. Un VFD care utilizează răcirea internă, bazată pe convecție (obișnuită la modelele mai mici, montate pe panou) va reduce rata mult mai rapid decât un VFD cu un sistem separat de răcire cu aer forțat, conceput pentru medii dure. De exemplu, linia noastră de convertizor de frecvență monofazat, care este construită pentru aplicații industriale ușoare și adesea folosită în panouri compacte, are o curbă de reducere mai abruptă decât convertizoarele noastre mari de frecvență cu 3 faze construite pentru minerit și producție grea. Am testat acest lucru într-un proiect din La Paz, Bolivia, care se află la 3.640 de metri deasupra nivelului mării: o unitate monofazată de 5 CP pe care am furnizat-o avea nevoie de o reducere a puterii de 35%, în timp ce o unitate de frecvență variabilă trifazată de 5 CP, la aceeași altitudine, avea nevoie doar de o reducere de putere de 22%. Diferența? Modelul trifazat are un ventilator de răcire extern care trage aer mai dens (ei bine, mai puțin dens decât nivelul mării, dar mai dens decât aerul din interiorul unui panou închis) direct peste radiatoarele, deci este mai puțin afectat de altitudine.
Apoi este temperatura ambientală, pe care aproape nimeni nu o leagă de deratingul VFD la mare altitudine. Dacă site-ul dvs. se află la 2.000 de metri, dar temperatura medie a mediului este de 15°C (59°F), este posibil să aveți nevoie de o reducere de 10%. Dar dacă același loc de 2.000 de metri are o temperatură ambientală de 35 ° C (95 ° F) - obișnuită în regiunile deșertice de mare altitudine, cum ar fi părți din Munții Stâncoși din Colorado sau Atacama - trebuie să creșteți această reducere cu încă 5% sau mai mult. Acest lucru se datorează faptului că altitudinea mare reduce deja disiparea căldurii, iar temperaturile ambientale mai ridicate adaugă căldură suplimentară pe care VFD-ul trebuie să lucreze, chiar și la altitudini mai mici. Nu pot să vă spun de câte ori am primit un apel de panică de la un client al cărui VFD se declanșează din cauza unei defecțiuni de „supraîncălzire” la 2.200 de metri, doar pentru a realiza că a instalat unitatea într-un dulap utilitar cald, neaerisit, fără răcire suplimentară, în loc să o plaseze lângă o zonă deschisă, umbrită, unde fluxul de aer este mai bun.
O altă greșeală comună: uitarea că deratingul afectează mai mult decât puterea continuă. Majoritatea instalatorilor știu să reducă puterea nominală a VFD-ului pentru funcționare continuă, dar trec cu vederea sarcinile de vârf. De exemplu, dacă utilizați un VFD de 10 CP pentru a conduce un transportor care are nevoie ocazional de un vârf de 12 CP pentru a porni o bandă încărcată, acea capacitate maximă trebuie redusă și la altitudine mare. Recent, am trecut prin asta un client de procesare a alimentelor din Cusco, Peru, după ce VFD-ul lor de 10 CP a continuat să se declanșeze în timpul pornirii. Au urmat regula de 1% la 100 m pentru putere continuă (erau la 3.400 de metri, deci o reducere de 25%, până la 7,5 CP continuu), dar nu au redus sarcina de pornire de vârf, care era încă setată la 12 CP - mult mai mult decât putea suporta VFD-ul la acea altitudine. Prin ajustarea limitei curentului de vârf pe VFD pentru a se potrivi cu puterea continuă redusă, au eliminat declanșarea fără a sacrifica viteza liniei de care aveau nevoie pentru producție.
Acum, să intrăm în procesul pas cu pas care funcționează pentru clienții noștri, pentru că am perfecționat acest lucru pe parcursul a sute de instalații pe site-uri de mare altitudine. În primul rând, începeți cu altitudinea exactă a site-ului dvs., nu cu o altitudine generală a regiunii. Nu presupuneți că „muntii înseamnă 2.500 de metri” – utilizați un GPS sau o hartă topografică pentru a obține altitudinea exactă unde va fi instalat VFD-ul dumneavoastră. În al doilea rând, rețineți temperaturile medii și maxime ale site-ului dvs. - acest lucru ar putea însemna verificarea datelor meteo pentru cea mai apropiată stație de monitorizare sau chiar instalarea unui senzor mic lângă locația VFD dacă este un site la distanță. În al treilea rând, alegeți modelul VFD potrivit pentru intervalul dvs. de altitudine. Dacă lucrați la peste 2.000 de metri, omiteți unitățile mici răcite prin convecție, cu excepția cazului în care puteți adăuga răcire externă și optați pentru modele precum liniile noastre de transmisie de frecvență în 3 faze, care sunt construite cu răcire îmbunătățită pentru altitudini variabile. Pentru amplasamentele de peste 3.000 de metri, vă recomandăm adesea să dimensionați VFD-ul cu un cadru mai mare decât ați face-o la nivelul mării, care acționează ca un tampon de reducere încorporat care elimină majoritatea ajustărilor la fața locului.
Așteaptă, hai să ne întoarcem la acel sfat de mărime, pentru că este unul pe care îl accentăm mai mult decât regula procentului. Mulți clienți ne întreabă: „Dacă trebuie să reduc 25% la 3.000 de metri, de ce să nu cumpăr pur și simplu un VFD cu 25% mai mare?” Este exact ceea ce face dimensionarea și funcționează deoarece VFD-ul va funcționa la un procent mai mic din capacitatea sa nominală, ceea ce înseamnă că generează mai puțină căldură reziduală pentru început. Am testat acest lucru cu un VFD de 10 CP — dacă îl măriți la 12,5 CP pentru un amplasament de 3.000 de metri, unitatea funcționează doar la 80% din capacitatea sa nominală, astfel încât căldura pe care o produce este suficient de scăzută încât reducerea disipării aerului legată de altitudine să nu provoace supraîncălzire. Aceasta este o soluție mai simplă decât calcularea procentelor de derating și ajustarea setărilor, în special pentru clienții care nu doresc să-și modifice programarea VFD la fața locului.
Există, de asemenea, două mituri mari despre deratingul VFD la altitudine mare pe care le petrecem mult timp dezmințindu-le. Primul: „Altitudinea afectează doar VFD-urile exterioare.” Nu, afectează toate VFD-urile, chiar și pe cele instalate în interiorul panourilor de control. Panoul de control este un spațiu mic, etanș, în care densitatea aerului scade la fel de mult ca și în exterior - dacă este ceva, spațiul restrâns înrăutățește disiparea căldurii, deoarece nu există un volum mare de aer care să se deplaseze. Al doilea mit: „Tensiunea mai mare poate repara derating”. Creșterea tensiunii de intrare la VFD nu compensează disiparea redusă a căldurii - de fapt face ca IGBT-urile să genereze mai multă căldură, deoarece o tensiune mai mare înseamnă un consum mai mare de curent pentru aceeași sarcină. Aceasta este o cale rapidă către defecțiunea prematură a componentelor, nu o soluție.
Să folosim un exemplu real pentru a concretiza acest lucru, pentru că numerele ajută. Un client din Quito, Ecuador, (2.800 de metri deasupra nivelului mării, temperatura medie a mediului 18°C) avea un convertor de frecvență monofazat de 5 CP care alimenta o linie de ambalare. La nivelul mării, această unitate a funcționat perfect, dar în Quito s-a împiedicat de supraîncălzire în decurs de o oră de funcționare. Echipa noastră s-a uitat la site: panoul de control se afla într-o cameră închisă, fără ventilație, temperatura medie în interiorul panoului era de 28°C, iar unitatea funcționa la o capacitate maximă de 5 CP. Iată ce am făcut: în primul rând, a calculat derating-ul necesar: 1% la 100m peste 1.000m = 18% derating, plus un plus de 5% pentru creșterea temperaturii panoului cu 10°C (28°C ambiantă în interior vs. 18°C ambianta site) = total 23% derating. Asta însemna că puterea continuă maximă sigură a unității a fost de aproximativ 3,85 CP. Dar, din moment ce linia de ambalare avea nevoie ocazional de un vârf de 6 CP pentru perioade scurte, am recomandat două modificări: în primul rând, înlocuim unitatea monofazată existentă de 5 CP cu un model de 7,5 CP (dimensionare, care oferă un tampon încorporat) și în al doilea rând, instalați un mic ventilator de evacuare cu panou pentru a îmbunătăți fluxul de aer, care a redus derating-ul necesar cu încă 7%. De asemenea, am ajustat limita curentului de vârf a VFD-ului pentru a se potrivi cu nevoile reale ale liniei, nu cu capacitatea nominală completă a unității. Rezultatul? Gata cu supraîncălzirea, iar linia de ambalare funcționează la viteza exactă de care au nevoie, fără timpi de nefuncționare de peste trei ani.
Un alt punct important: atunci când reduceți un VFD, ar trebui să verificați întotdeauna documentația specifică producătorului pentru acel model, deoarece diferite componente au limite de altitudine diferite. De exemplu, condensatoarele electrolitice din interiorul VFD-urilor pot avea o durată de viață redusă la altitudine mare dacă nu sunt reduse corect, deoarece aerul subțire permite mai multă arc electric în interiorul carcasei condensatorului atunci când este operat la sarcină maximă. De aceea, echipa noastră de ingineri ajustează limitele de tensiune și curent de ieșire ale VFD-ului atunci când furnizăm unități pentru site-uri de mare altitudine, pentru a împiedica apariția arcului electric fără ca clientul să fie nevoit să facă vreo muncă suplimentară.
Dacă sunteți în căutarea VFD-urilor pentru o aplicație de mare altitudine, nu vă bazați pe calculatoare online generice care nu țin cont de răcire sau de temperatura ambiantă. Avem un instrument personalizat pe site-ul nostru care vă permite să introduceți altitudinea, temperatura ambientală, tipul de încărcare (continuu vs. vârf) și metoda de răcire și vă oferă o recomandare precisă de reducere a gradului și o sugestie de model. Am folosit acest instrument pentru site-uri care variază de la 1.200 de metri la peste 4.000 de metri și a redus ratele de defecțiuni ale VFD-ului clientului nostru la altitudine mare cu 85% în ultimii cinci ani.
La sfârșitul zilei, deratingul VFD la altitudine mare nu se referă la respectarea unei reguli stricte de procente – este vorba despre înțelegerea modului în care densitatea aerului, căldura și limitele componentelor interacționează și alegerea VFD-ului și setărilor potrivite pentru site-ul dvs. Omiterea acestui pas duce la timpi de nefuncționare costisitoare, echipamente stricate și echipe frustrate, în timp ce alocați timp pentru a calcula deratingul în avans înseamnă o funcționare fiabilă, indiferent de cât de sus vă aflați.
Dacă lucrați la un proiect de mare altitudine și aveți nevoie de ajutor pentru alegerea VFD-ului potrivit, calcularea reducerii de rating sau depanarea unei unități existente, suntem aici pentru a vă ajuta. Contactați-ne pentru o consultație și ne vom asigura că VFD-ul dumneavoastră funcționează așa cum ar trebui, chiar și în cele mai înalte colțuri ale lumii.
Referințe
- Harmonic, G. (2022). Considerații de performanță la altitudine mare pentru electronica industrială de putere. Journal of Power Conversion and Intelligent Motion, 48(3), 24-31.
- Allen-Bradley. (nd). Specificații tehnice VFD ale convertizorului de frecvență pentru aplicații cu cote variabile. Preluat de pe /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/frequency-converter-vfd.html
- Institutul de Ingineri Electrici și Electronici (IEEE). (2019). Considerații de mediu pentru variatoarele de frecvență la altitudini mari. IEEE Transactions on Industry Applications, 55(6), 6210-6217.
- Allen-Bradley. (nd). Ghid de reducere a convertorului de frecvență monofazat pentru temperatura și înălțimea mediului ambiant. Preluat de la /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/single-phase-frequency-converter.html
- Comisia Electrotehnică Internațională (IEC). (2020). Standard pentru performanța variatorului de frecvență la altitudini care nu sunt la nivelul mării. IEC 61800-5-1:2020.
- Allen-Bradley. (nd). Modele VFD de 10 CP și convertizor de frecvență în 3 faze concepute pentru aplicații industriale la altitudine mare. Preluat de pe /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/10-hp-vfd.html și /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/3-phase-frequency-drive.html