Jeśli kiedykolwiek instalowałeś przetwornicę częstotliwości VFD w regionie górzystym, pracowałeś na przenośniku taśmowym w kopalni na dużej wysokości lub konserwowałeś system HVAC w mieście położonym w Andach, prawdopodobnie napotkałeś ten sam problem: przetwornica częstotliwości zainstalowana na poziomie morza przegrzewa się, przedwcześnie wyłącza się lub całkowicie wyłącza się, gdy temperatura nieznacznie spada, ale wysokość przekracza 1000 metrów. Jako dostawca VFD, który spędził 12 lat na rozwiązywaniu problemów z systemami w ponad 30 krajach, mogę powiedzieć, że nie jest to problem „złego urządzenia” – jest to problem obniżania wartości znamionowych na dużych wysokościach i jest to jeden z najczęstszych, najbardziej źle rozumianych błędów popełnianych przez nowych instalatorów (a nawet niektórych doświadczonych inżynierów) podczas pracy z przetwornicami częstotliwości.
Zacznijmy od podstaw, które większość przewodników VFD pomija, ponieważ zrozumienie, dlaczego wysokość wpływa na VFD, stanowi podstawę do prawidłowego obniżenia wartości znamionowych. Przetwornice VFD są zbudowane z elementów półprzewodnikowych — IGBT, diod, kondensatorów — które wykorzystują powietrze z otoczenia do odprowadzania ciepła odpadowego powstającego podczas pracy. Na poziomie morza powietrze jest gęste, wypełnione tlenem i drobnymi cząsteczkami powietrza, które skutecznie przenoszą ciepło, dlatego wentylator chłodzący i wewnętrzne radiatory VFD działają zgodnie z przeznaczeniem. Kiedy wspinasz się na wysokość powyżej 1000 metrów (3280 stóp), gęstość powietrza spada o około 1% na każde 100 metrów przewyższenia. Kiedy osiągniesz wysokość 2500 metrów (8200 stóp), powietrze będzie już w 75% tak gęste jak na poziomie morza, a ten spadek gęstości jest właśnie powodem, dla którego Twój VFD nie jest w stanie rozproszyć ciepła w sposób, w jaki powinien. Mniej gęste powietrze oznacza mniej cząsteczek odprowadzających ciepło z wewnętrznych elementów VFD, więc te części nagrzewają się bardziej niż ich temperatura znamionowa, nawet jeśli otaczające powietrze wydaje się chłodne.
W tym miejscu pojawia się obniżanie wartości znamionowych: jest to proces zmniejszania mocy wyjściowej VFD w celu dopasowania jej do zmniejszonej zdolności rozpraszania ciepła na dużych wysokościach. Alternatywą jest pozwolenie na przedwczesne wyłączenie lub awarię VFD, co jest droższe w przypadku samych przestojów niż zajęcie się problemem obniżenia wartości znamionowych od razu. Jednak obniżenie wartości znamionowych nie jest liczbą uniwersalną — istnieją zmienne, które zmieniają stopień, w jakim należy obniżyć wartości znamionowe, a pomijanie tych szczegółów to przypadki, w których nawet czołowe zespoły inżynieryjne popełniały błędy.
Na początek porozmawiajmy o oficjalnych wytycznych, bo są one dobrym punktem wyjścia, ale nie końcem historii. Większość producentów VFD (w tym ci, z którymi współpracujemy) określa, że na każde 100 metrów powyżej 1000 metrów należy obniżyć moc VFD o około 1% — jest to jednak ogólna zasada, a nie sztywna zasada. Istnieją wyjątki od reguły 1% na 100 m, a wyjątki te wynikają z dwóch głównych czynników: metody chłodzenia VFD i temperatury otoczenia w miejscu instalacji. Czekaj, prawda – metoda chłodzenia jest ogromna. Przemiennik VFD wykorzystujący wewnętrzne chłodzenie konwekcyjne (powszechne w mniejszych modelach do montażu panelowego) będzie tracić wartości znamionowe znacznie szybciej niż przetwornica częstotliwości z oddzielnym systemem chłodzenia wymuszonym obiegiem powietrza, zaprojektowanym do pracy w trudnych warunkach. Na przykład nasza linia jednofazowych przetwornic częstotliwości, przeznaczona do zastosowań w przemyśle lekkim i często stosowana w panelach kompaktowych, ma bardziej stromą krzywą obniżania wartości znamionowych niż nasze duże 3-fazowe przetwornice częstotliwości przeznaczone do zastosowań w górnictwie i przemyśle ciężkim. Przetestowaliśmy to w projekcie w La Paz w Boliwii, który znajduje się na wysokości 3640 metrów nad poziomem morza: dostarczona przez nas jednostka jednofazowa o mocy 5 KM wymagała obniżenia mocy o 35%, podczas gdy 3-fazowy przetwornica częstotliwości o identycznej mocy 5 KM, działająca na tej samej wysokości, wymagała zmniejszenia wartości znamionowych jedynie o 22%. Różnica? Model trójfazowy ma zewnętrzny wentylator chłodzący, który zasysa gęstsze (no cóż, mniej gęste niż poziom morza, ale gęstsze niż powietrze w zamkniętym panelu) powietrze bezpośrednio nad radiatorami, dzięki czemu wysokość nie ma na nie mniejszego wpływu.
Do tego dochodzi temperatura otoczenia, której prawie nikt nie wiąże ze zmniejszeniem wartości znamionowych VFD na dużych wysokościach. Jeśli Twoja lokalizacja znajduje się na wysokości 2000 metrów, ale średnia temperatura otoczenia wynosi 15°C (59°F), może być konieczne zmniejszenie wartości znamionowych jedynie o 10%. Jeśli jednak w tym samym miejscu o wysokości 2000 metrów panuje temperatura otoczenia wynosząca 35°C (95°F) – co jest powszechne w pustynnych regionach położonych na dużych wysokościach, takich jak części Gór Skalistych Kolorado czy Atacama – należy zwiększyć to obniżenie wartości znamionowych o kolejne 5% lub więcej. Dzieje się tak dlatego, że duża wysokość już zmniejsza rozpraszanie ciepła, a wyższe temperatury otoczenia powodują dodatkowe ciepło, które VFD musi obsłużyć, nawet na niższych wysokościach. Nie zliczę, ile razy otrzymaliśmy telefon od klienta, którego napęd VFD wyłącza się z powodu usterki „przegrzania” na wysokości 2200 metrów, a potem zdaliśmy sobie sprawę, że zainstalował urządzenie w gorącej, niewentylowanej szafie gospodarczej bez dodatkowego chłodzenia, zamiast umieścić je w pobliżu otwartego, zacienionego obszaru, gdzie przepływ powietrza jest lepszy.
Kolejny częsty błąd: zapominanie, że obniżenie wartości znamionowych wpływa na coś więcej niż tylko na ciągłą moc. Większość instalatorów wie, jak obniżyć moc znamionową przetwornicy częstotliwości w celu zapewnienia ciągłej pracy, ale pomijają obciążenia szczytowe. Na przykład, jeśli używasz napędu VFD o mocy 10 KM do napędzania przenośnika, który czasami potrzebuje mocy szczytowej 12 KM do uruchomienia obciążonej taśmy, ta moc szczytowa również musi zostać obniżona na dużych wysokościach. Niedawno przeprowadziliśmy przez to klienta z branży spożywczej w Cusco w Peru, po tym jak jego 10-konny napęd VFD ciągle się wyłączał podczas uruchamiania. Zastosowali zasadę 1% na 100 m dla mocy ciągłej (byli na wysokości 3400 metrów, a więc zmniejszenie wartości znamionowych o 25%, do 7,5 KM w trybie ciągłym), ale nie obniżyli szczytowego obciążenia początkowego, które nadal było ustawione na 12 KM – znacznie więcej, niż VFD był w stanie wytrzymać na tej wysokości. Dostosowując szczytowy limit prądu na falowniku VFD, aby dopasować go do obniżonej mocy ciągłej, wyeliminowano wyłączanie bez poświęcania prędkości linii potrzebnej do produkcji.
Przejdźmy teraz do procesu krok po kroku, który sprawdza się u naszych klientów, ponieważ udoskonaliliśmy go podczas setek instalacji w lokalizacjach położonych na dużych wysokościach. Najpierw zacznij od dokładnej wysokości lokalizacji, a nie od ogólnej wysokości regionu. Nie zakładaj, że „góry oznaczają 2500 metrów” – użyj GPS lub mapy topograficznej, aby uzyskać dokładną wysokość, na której zostanie zainstalowany Twój VFD. Po drugie, zanotuj średnią i maksymalną temperaturę otoczenia w Twojej lokalizacji — może to oznaczać sprawdzenie danych pogodowych dla najbliższej stacji monitorującej lub nawet zainstalowanie małego czujnika w pobliżu lokalizacji VFD, jeśli jest to odległe miejsce. Po trzecie, wybierz odpowiedni model VFD dla swojego zakresu wysokości. Jeśli pracujesz na wysokości powyżej 2000 metrów, pomiń małe jednostki chłodzone konwekcyjnie, chyba że możesz dodać chłodzenie zewnętrzne, i wybierz modele takie jak nasze 3-fazowe linie przetwornic częstotliwości, które są zbudowane z ulepszonym chłodzeniem dla zmiennych wysokości. W przypadku obiektów położonych na wysokości powyżej 3000 metrów często zalecamy wymiarowanie napędu VFD o jedną ramę większą niż na poziomie morza, co działa jak wbudowany bufor obniżający wartości znamionowe i eliminuje większość regulacji na miejscu.
Poczekaj, wróćmy do tej wskazówki dotyczącej rozmiaru, ponieważ kładziemy na nią większy nacisk niż na zasadę procentową. Wielu klientów pyta nas: „Jeśli muszę obniżyć parametry znamionowe o 25% na 3000 metrów, dlaczego po prostu nie kupić o 25% większego VFD?” Dokładnie na tym polega dobór rozmiaru i działa, ponieważ przetwornica VFD będzie działać z niższym procentem swojej wydajności znamionowej, co oznacza, że na początku generuje mniej ciepła odpadowego. Przetestowaliśmy to z 10-konnym napędem VFD — jeśli dobierzemy go do 12,5 KM dla lokalizacji o długości 3000 metrów, urządzenie będzie działać tylko z 80% swojej mocy znamionowej, więc wytwarzane przez niego ciepło jest na tyle niskie, że zmniejszenie rozpraszania powietrza związane z wysokością nie powoduje przegrzania. Jest to prostsze rozwiązanie niż obliczanie wartości procentowych obniżenia wartości znamionowych i dostosowywanie ustawień, szczególnie w przypadku klientów, którzy nie chcą modyfikować programowania VFD na miejscu.
Istnieją również dwa wielkie mity na temat obniżania wartości znamionowych VFD na dużych wysokościach, które spędzamy dużo czasu na obalaniu. Pierwszy: „Wysokość wpływa tylko na zewnętrzne VFD”. Nie, dotyczy to wszystkich napędów VFD, nawet tych zainstalowanych w panelach sterowania. Panel sterowania to szczelna, niewielka przestrzeń, w której gęstość powietrza spada tak samo jak na zewnątrz. W każdym razie ograniczona przestrzeń pogarsza odprowadzanie ciepła, ponieważ nie ma dużej ilości powietrza, które mogłoby się przemieszczać. Mit drugi: „Wyższe napięcie może naprawić obniżenie wartości znamionowych”. Podkręcenie napięcia wejściowego do VFD nie kompensuje zmniejszonego rozpraszania ciepła – w rzeczywistości powoduje, że tranzystory IGBT generują więcej ciepła, ponieważ wyższe napięcie oznacza większy pobór prądu dla tego samego obciążenia. To szybka droga do przedwczesnej awarii podzespołów, a nie rozwiązanie.
Aby skonkretyzować tę kwestię, użyjmy prawdziwego przykładu, ponieważ liczby pomagają. Klient w Quito w Ekwadorze (2800 m n.p.m., średnia temperatura otoczenia 18°C) posiadał jednofazową przetwornicę częstotliwości o mocy 5 KM zasilającą linię pakującą. Na poziomie morza urządzenie to działało doskonale, ale w Quito wyłączyło się z powodu przegrzania w ciągu godziny pracy. Nasz zespół sprawdził miejsce: panel sterowania znajdował się w zamkniętym pomieszczeniu bez wentylacji, średnia temperatura wewnątrz panelu wynosiła 28°C, a urządzenie pracowało z pełną mocą 5 KM. Oto, co zrobiliśmy: najpierw obliczyliśmy wymagane obniżenie wartości znamionowych: 1% na 100 m powyżej 1000 m = obniżenie wartości znamionowych o 18% plus dodatkowe 5% za wzrost temperatury panelu o 10°C (28°C w pomieszczeniu w porównaniu z 18°C w miejscu instalacji) = całkowite obniżenie wartości znamionowych o 23%. Oznaczało to, że maksymalna bezpieczna ciągła moc wyjściowa jednostki wynosiła około 3,85 KM. Ponieważ jednak linia pakująca czasami potrzebowała szczytowej mocy 6 KM na krótkie okresy, zaleciliśmy dwie zmiany: po pierwsze, wymianę istniejącej jednostki jednofazowej o mocy 5 KM na model o mocy 7,5 KM (zwiększenie rozmiaru, co daje wbudowany bufor), a po drugie zainstalowanie małego wentylatora wyciągowego panelowego, aby poprawić przepływ powietrza, co zmniejszyło wymagane obniżenie wartości znamionowych o kolejne 7%. Dostosowaliśmy także szczytowy limit prądu VFD, aby odpowiadał rzeczywistym potrzebom linii, a nie pełnej wydajności znamionowej urządzenia. Wynik? Koniec z przegrzaniami, a linia pakująca działa z dokładnie taką prędkością, jakiej potrzebuje, bez przestojów już od ponad trzech lat.
Kolejna ważna kwestia: w przypadku obniżenia wartości znamionowych VFD należy zawsze sprawdzić dokumentację producenta dotyczącą tego modelu, ponieważ różne komponenty mają różne ograniczenia wysokości. Na przykład kondensatory elektrolityczne wewnątrz napędów VFD mogą mieć zmniejszoną żywotność na dużych wysokościach, jeśli nie zostaną odpowiednio obniżone, ponieważ cienkie powietrze powoduje większe wyładowania łukowe wewnątrz obudowy kondensatora podczas pracy przy pełnym obciążeniu. Właśnie dlatego nasz zespół inżynierów dostosowuje napięcie wyjściowe i ograniczenia prądu VFD, gdy dostarczamy urządzenia do lokalizacji na dużych wysokościach, aby zapobiec powstaniu łuku elektrycznego bez konieczności wykonywania przez klienta dodatkowej pracy.
Jeśli szukasz VFD do zastosowań na dużych wysokościach, nie polegaj na ogólnych kalkulatorach online, które nie uwzględniają chłodzenia ani temperatury otoczenia. Na naszej stronie znajduje się niestandardowe narzędzie, które pozwala wprowadzić wysokość, temperaturę otoczenia, rodzaj obciążenia (ciągłe lub szczytowe) i metodę chłodzenia, a także podaje dokładne zalecenia dotyczące obniżenia wartości znamionowych i sugestie dotyczące modelu. Używaliśmy tego narzędzia w lokalizacjach na wysokościach od 1200 metrów do ponad 4000 metrów i w ciągu ostatnich pięciu lat zmniejszyło ono liczbę awarii VFD u naszych klientów na dużych wysokościach o 85%.
Ostatecznie obniżanie wartości znamionowych VFD na dużych wysokościach nie polega na przestrzeganiu ścisłej zasady procentowej — chodzi o zrozumienie interakcji gęstości powietrza, ciepła i ograniczeń komponentów oraz wybranie odpowiedniego VFD i ustawień dla konkretnego miejsca. Pominięcie tego kroku prowadzi do kosztownych przestojów, uszkodzenia sprzętu i sfrustrowania zespołów, a poświęcenie czasu na obliczenie obniżenia wartości znamionowych od razu oznacza niezawodne działanie niezależnie od tego, jak wysoko się znajdujesz.
Jeśli pracujesz nad projektem wymagającym dużej wysokości i potrzebujesz pomocy w wyborze odpowiedniego VFD, obliczeniu obniżenia parametrów znamionowych lub rozwiązaniu problemów z istniejącą jednostką, jesteśmy tutaj, aby Ci pomóc. Skontaktuj się z nami, aby uzyskać konsultację, a my upewnimy się, że Twój VFD będzie działał tak, jak powinien, nawet w najwyżej położonych zakątkach świata.
Referencje
- Harmoniczne, G. (2022). Zagadnienia dotyczące wydajności na dużych wysokościach w przemysłowej elektronice mocy. Journal of Power Conversion and Intelligent Motion, 48(3), 24-31.
- Allena-Bradleya. (nd). Specyfikacje techniczne przetwornicy częstotliwości VFD do zastosowań o zmiennej wysokości. Źródło: /vector-frequency-converter/high- Performance-frequency-converter/frequency-converter-vfd.html
- Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE). (2019). Względy środowiskowe dotyczące przetwornic częstotliwości na dużych wysokościach. Transakcje IEEE dotyczące aplikacji branżowych, 55(6), 6210-6217.
- Allena-Bradleya. (nd). Wytyczne dotyczące obniżania wartości znamionowych jednofazowej przetwornicy częstotliwości w zależności od temperatury otoczenia i wysokości. Źródło: /wektorowy-przetwornik częstotliwości/wysoko wydajny-częstotliwość-converter/single-phase-frequency-converter.html
- Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC). (2020). Norma dotycząca wydajności przetwornicy częstotliwości na wysokościach innych niż poziom morza. IEC 61800-5-1:2020.
- Allena-Bradleya. (nd). Modele z przetwornicą częstotliwości o mocy 10 KM i 3-fazowymi przetwornicami częstotliwości przeznaczone do zastosowań przemysłowych na dużych wysokościach. Pobrano z /vector-frequency-converter/high- Performance-frequency-converter/10-hp-vfd.html i /vector-frequency-converter/high- Performance-frequency-converter/3-phase-frequency-drive.html