Ak ste niekedy inštalovali frekvenčný menič VFD v horskej oblasti, pracovali ste na dopravnom páse vo vysokohorskej banskej lokalite alebo udržiavali systém HVAC v meste zastrčenom v Andách, pravdepodobne ste narazili na rovnaký problém: VFD, ktorý ste nainštalovali na hladine mora, sa prehrieva, predčasne sa vypína alebo úplne vypína, keď teplota klesne len o 0 metrov. Ako dodávateľ VFD, ktorý strávil 12 rokov odstraňovaním problémov so systémami vo viac ako 30 krajinách, vám môžem povedať, že to nie je problém „zlej jednotky“ – je to problém zníženia výkonu vo veľkých nadmorských výškach a je to jedna z najbežnejších a najviac nepochopených chýb, ktorých sa noví inštalatéri (a dokonca aj niektorí skúsení inžinieri) dopúšťajú pri práci s pohonmi s premenlivou frekvenciou.
Začnime so základmi, ktoré väčšina sprievodcov VFD preskakuje, pretože pochopenie toho, prečo nadmorská výška ovplyvňuje váš VFD, vytvára základ pre správne znižovanie. VFD sú vyrobené z polovodičových komponentov – IGBT, diódy, kondenzátory – ktoré sa spoliehajú na okolitý vzduch, aby odvádzali odpadové teplo vznikajúce počas prevádzky. Na hladine mora je vzduch hustý, naplnený kyslíkom a malými molekulami vzduchu, ktoré efektívne prenášajú teplo, takže chladiaci ventilátor a vnútorné chladiče VFD fungujú tak, ako boli navrhnuté. Keď vystúpite nad 1 000 metrov (3 280 stôp), hustota vzduchu klesne približne o 1 % na každých 100 metrov prevýšenia. V čase, keď dosiahnete 2 500 metrov (8 200 stôp), je vzduch o 75 % taký hustý ako na hladine mora a práve tento pokles hustoty je dôvodom, prečo váš VFD nedokáže odvádzať teplo tak, ako má. Menej hustý vzduch znamená, že menej molekúl odvádza teplo z vnútorných komponentov VFD, takže tieto časti sú teplejšie, než je ich menovitá teplota, aj keď je okolitý vzduch chladný.
Tu prichádza znižovanie výkonu: je to proces znižovania výkonu VFD tak, aby zodpovedal zníženej schopnosti rozptylu tepla vo vysokej nadmorskej výške. Alternatívou je nechať VFD vypnúť alebo predčasne zlyhať, čo je drahšie len pri prestojoch ako riešenie zníženia výkonu vopred. Zníženie však nie je univerzálne číslo – existujú premenné, ktoré menia, do akej miery je potrebné znížiť zníženie, a práve preskakovanie týchto detailov je miesto, kde som videl, že aj špičkové inžinierske tímy robia chybu.
Najprv si povedzme o oficiálnych pokynoch, pretože sú dobrým východiskovým bodom, ale nie sú koncom príbehu. Väčšina výrobcov VFD (vrátane tých, s ktorými spolupracujeme) uvádza, že na každých 100 metrov nad 1 000 metrov musíte znížiť výkon VFD približne o 1 % – ale to je všeobecné pravidlo, nie tvrdá línia. Z tohto pravidla 1 % na 100 m existujú výnimky a tieto výnimky sa týkajú dvoch veľkých faktorov: spôsobu chladenia VFD a okolitej teploty na vašom mieste. Počkajte, správne - spôsob chladenia je obrovský. VFD, ktorý používa interné chladenie založené na prúdení vzduchu (bežné v menších modeloch namontovaných na panel), sa zníži oveľa rýchlejšie ako VFD so samostatným systémom chladenia s núteným obehom vzduchu určeným pre drsné prostredia. Napríklad naša linka jednofázových frekvenčných meničov, ktorá je skonštruovaná pre ľahké priemyselné aplikácie a často sa používa v kompaktných paneloch, má strmšiu krivku znižovania ako naše veľké 3-fázové frekvenčné meniče skonštruované pre ťažbu a ťažkú výrobu. Testovali sme to na projekte v La Paz v Bolívii, ktorý sa nachádza v nadmorskej výške 3 640 metrov: nami dodávaná jednofázová jednotka s výkonom 5 koní potrebovala zníženie výkonu o 35 %, zatiaľ čo identický trojfázový menič s premenlivou frekvenciou s výkonom 5 koní v rovnakej nadmorskej výške potreboval zníženie výkonu iba o 22 %. Rozdiel? Trojfázový model má externý chladiaci ventilátor, ktorý nasáva hustejší (dobre, menej hustý ako hladina mora, ale hustejší ako vzduch v uzavretom paneli) vzduch priamo nad chladičmi, takže je menej ovplyvnený nadmorskou výškou.
Potom je tu teplota okolia, ktorú takmer nikto nespája so znížením VFD vo vysokej nadmorskej výške. Ak je vaša lokalita vo výške 2 000 metrov, ale priemerná okolitá teplota je 15 °C (59 °F), možno budete potrebovať zníženie len o 10 %. Ale ak má tá istá 2 000 metrová lokalita okolitú teplotu 35 °C (95 °F) – čo je bežné v púštnych vysokohorských oblastiach, ako sú časti Colorado Rockies alebo Atacama – musíte toto zníženie zvýšiť o ďalších 5 % alebo viac. Je to preto, že vysoká nadmorská výška už znižuje rozptyl tepla a vyššie teploty okolia pridávajú ďalšie teplo, ktoré musí VFD obísť, dokonca aj v nižších nadmorských výškach. Nemôžem vám povedať, koľkokrát sme dostali paniku od zákazníka, ktorého VFD sa vypína kvôli poruche „prehriatia“ vo výške 2 200 metrov, len aby sme si uvedomili, že jednotku nainštalovali do horúcej, nevetranej skrine bez dodatočného chladenia, namiesto toho, aby ju umiestnili do blízkosti otvoreného, zatieneného priestoru, kde je prúdenie vzduchu lepšie.
Ďalšia častá chyba: zabúdanie na to, že zníženie výkonu ovplyvňuje viac než len nepretržitý výkon. Väčšina inštalatérov vie znížiť menovitý výkon VFD pre nepretržitú prevádzku, ale prehliadajú špičkové zaťaženie. Napríklad, ak používate 10 hp VFD na pohon dopravníka, ktorý príležitostne potrebuje 12 hp špičkový na spustenie naloženého pásu, musí byť táto špičková kapacita znížená aj vo vysokej nadmorskej výške. Nedávno sme cez to prešli klienta na spracovanie potravín v Cuscu v Peru po tom, čo ich 10 hp VFD neustále vypínal počas spúšťania. Dodržali pravidlo 1 % na 100 m pre nepretržitý výkon (boli vo výške 3 400 metrov, takže zníženie o 25 %, až na 7,5 hp nepretržite), ale neznížili špičkové štartovacie zaťaženie, ktoré bolo stále nastavené na 12 hp – oveľa viac, ako by VFD v tejto nadmorskej výške zvládol. Úpravou limitu špičkového prúdu na VFD tak, aby zodpovedal zníženému trvalému výkonu, eliminovali vypínanie bez obetovania rýchlosti linky, ktorú potrebovali na výrobu.
Teraz sa pustíme do procesu krok za krokom, ktorý funguje pre našich zákazníkov, pretože sme ho vylepšili v stovkách inštalácií na vysokohorských lokalitách. Najprv začnite presnou nadmorskou výškou svojho webu, nie všeobecnou nadmorskou výškou regiónu. Nepredpokladajte, že „hory znamenajú 2 500 metrov“ – použite GPS alebo topografickú mapu na získanie presnej nadmorskej výšky, kde bude váš VFD nainštalovaný. Po druhé, všimnite si priemerné a maximálne teploty okolia na vašom webe – môže to znamenať kontrolu údajov o počasí pre najbližšiu monitorovaciu stanicu alebo dokonca inštaláciu malého senzora v blízkosti miesta VFD, ak ide o vzdialené miesto. Po tretie, vyberte si správny model VFD pre váš rozsah nadmorskej výšky. Ak pracujete vo výške nad 2 000 metrov, vynechajte malé konvekčne chladené jednotky, pokiaľ nemôžete pridať externé chladenie, a rozhodnite sa pre modely, ako sú naše 3-fázové frekvenčné pohony, ktoré sú skonštruované s vylepšeným chladením pre rôzne výšky. Pre lokality nad 3 000 metrov často odporúčame dimenzovať váš VFD o jeden rámec väčší, ako by ste mali na úrovni mora, čo funguje ako vstavaná vyrovnávacia pamäť zníženia, ktorá eliminuje väčšinu úprav na mieste.
Počkajte, vráťme sa k tomuto tipu na určenie veľkosti, pretože naň kladieme väčší dôraz ako na percentuálne pravidlo. Veľa zákazníkov sa nás pýta: „Ak potrebujem znížiť výkon o 25 % na 3 000 metroch, prečo si nekúpim o 25 % väčší VFD?“ To je presne to, čo robí dimenzovanie a funguje to, pretože VFD bude pracovať s nižším percentom svojej menovitej kapacity, čo znamená, že na začiatok generuje menej odpadového tepla. Testovali sme to s VFD s výkonom 10 hp – ak ho nastavíte na 12,5 hp na 3 000 metrovú lokalitu, jednotka beží len na 80 % svojej menovitej kapacity, takže teplo, ktoré produkuje, je dostatočne nízke na to, aby zníženie rozptylu vzduchu súvisiace s nadmorskou výškou nespôsobilo prehriatie. Je to jednoduchšie riešenie ako výpočet percent zníženia a úprava nastavení, najmä pre zákazníkov, ktorí nechcú upravovať svoje programovanie VFD na mieste.
Existujú tiež dva veľké mýty o znížení hodnoty VFD vo vysokej nadmorskej výške, ktoré trávime veľa času odhaľovaním. Prvý: „Nadmorská výška ovplyvňuje iba vonkajšie VFD.“ Nie, ovplyvňuje všetky VFD, dokonca aj tie, ktoré sú nainštalované v ovládacích paneloch. Ovládací panel je uzavretý, malý priestor, kde hustota vzduchu klesá rovnako ako vonku – ak vôbec niečo, obmedzený priestor zhoršuje odvod tepla, pretože tu nie je žiadny veľký objem vzduchu, ktorý by sa mohol pohybovať. Druhý mýtus: "Vyššie napätie môže opraviť zníženie výkonu." Zvýšenie vstupného napätia na VFD nekompenzuje znížený rozptyl tepla – v skutočnosti spôsobuje, že IGBT generujú viac tepla, pretože vyššie napätie znamená vyšší odber prúdu pri rovnakej záťaži. To je rýchla cesta k predčasnému zlyhaniu komponentov, nie riešenie.
Použime reálny príklad, aby sme to konkretizovali, pretože čísla pomáhajú. Zákazník v Quite v Ekvádore (2 800 metrov nad morom, priemerná teplota okolia 18 °C) mal 5 hp jednofázový frekvenčný menič napájajúci baliacu linku. Na hladine mora tento agregát fungoval perfektne, no v Quite sa do hodiny chodu zapol pri prehriatí. Náš tím sa pozrel na miesto: ovládací panel bol v uzavretej miestnosti bez vetrania, priemerná teplota vo vnútri panelu bola 28 °C a jednotka bežala na plný výkon 5 hp. Tu je to, čo sme urobili: najprv sme vypočítali požadované zníženie výkonu: 1 % na 100 m nad 1 000 m = 18 % zníženie, plus 5 % navyše za zvýšenie teploty panelu o 10 °C (28 °C okolitá teplota vo vnútri vs. 18 °C okolitá lokalita) = celkové zníženie 23 %. To znamenalo, že maximálny bezpečný trvalý výkon jednotky bol zhruba 3,85 hp. Ale keďže baliaca linka občas potrebovala na krátku dobu špičkový výkon 6 hp, odporučili sme dve zmeny: po prvé, vymeniť existujúcu 5 hp jednofázovú jednotku za model s výkonom 7,5 hp (zvýšenie veľkosti, čo poskytuje vstavanú vyrovnávaciu pamäť) a po druhé, nainštalovať malý panelový odsávací ventilátor na zlepšenie prúdenia vzduchu, čo znížilo požadované zníženie o ďalších 7 %. Tiež sme upravili limit špičkového prúdu VFD tak, aby zodpovedal skutočným potrebám linky, nie plnej menovitej kapacite jednotky. Výsledok? Už žiadne prehrievanie a baliaca linka beží presne takou rýchlosťou, akú potrebujú, s nulovými prestojmi už viac ako tri roky.
Ďalší dôležitý bod: keď znížite výkon VFD, mali by ste vždy skontrolovať špecifickú dokumentáciu výrobcu pre daný model, pretože rôzne komponenty majú rôzne výškové limity. Napríklad elektrolytické kondenzátory vo vnútri VFD môžu mať zníženú životnosť vo vysokej nadmorskej výške, ak nie sú správne znížené, pretože riedky vzduch umožňuje viac elektrického oblúka vo vnútri krytu kondenzátora pri prevádzke pri plnom zaťažení. To je dôvod, prečo náš technický tím upravuje limity výstupného napätia a prúdu VFD, keď dodávame jednotky pre vysokohorské lokality, aby sa zabránilo vzniku elektrického oblúka bez toho, aby zákazník musel robiť nejakú prácu navyše.
Ak hľadáte VFD pre aplikáciu vo veľkých nadmorských výškach, nespoliehajte sa na všeobecné online kalkulačky, ktoré nezohľadňujú chladenie alebo teplotu okolia. Na našej stránke máme vlastný nástroj, ktorý vám umožní zadať nadmorskú výšku, teplotu okolia, typ zaťaženia (nepretržité vs. špička) a metódu chladenia a poskytne vám presné odporúčanie na zníženie a návrh modelu. Tento nástroj sme použili pre lokality v rozsahu od 1 200 metrov do viac ako 4 000 metrov a za posledných päť rokov znížil poruchovosť VFD našich zákazníkov vo vysokej nadmorskej výške o 85 %.
Na konci dňa nie je zníženie VFD vo vysokej nadmorskej výške o dodržiavaní prísneho percentuálneho pravidla – ide o pochopenie toho, ako sa navzájom ovplyvňujú hustota vzduchu, teplo a limity komponentov, a výber správneho VFD a nastavení pre vaše konkrétne miesto. Preskočenie tohto kroku vedie k drahým prestojom, pokazenému zariadeniu a frustrovaným tímom, pričom čas na výpočet zníženia výkonu vopred znamená spoľahlivú prevádzku bez ohľadu na to, ako vysoko ste.
Ak pracujete na projekte vo vysokej nadmorskej výške a potrebujete pomoc s výberom správneho VFD, výpočtom zníženia výkonu alebo riešením problémov s existujúcou jednotkou, sme tu, aby sme vám pomohli. Obráťte sa na nás so žiadosťou o konzultáciu a my sa postaráme o to, aby váš VFD fungoval tak, ako má, dokonca aj v najvyšších kútoch sveta.
Referencie
- Harmonický, G. (2022). Úvahy o výkone vo vysokej nadmorskej výške pre priemyselnú výkonovú elektroniku. Journal of Power Conversion and Intelligent Motion, 48(3), 24-31.
- Allen-Bradley. (nd). Technické špecifikácie VFD frekvenčného meniča pre aplikácie s premenlivou nadmorskou výškou. Získané z /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/frequency-converter-vfd.html
- Inštitút elektrotechnických a elektronických inžinierov (IEEE). (2019). Environmentálne aspekty pre pohony s premenlivou frekvenciou vo vysokých nadmorských výškach. IEEE Transactions on Industry Applications, 55(6), 6210-6217.
- Allen-Bradley. (nd). Pokyny na zníženie výkonu jednofázového frekvenčného meniča pre okolitú teplotu a nadmorskú výšku. Získané z /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/single-phase-frequency-converter.html
- Medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC). (2020). Štandard pre výkon pohonu s premenlivou frekvenciou v nadmorských výškach mimo nadmorskej výšky. IEC 61800-5-1:2020.
- Allen-Bradley. (nd). Modely s 10 hp VFD a 3-fázovými frekvenčnými meničmi určené pre priemyselné aplikácie vo veľkých nadmorských výškach. Získané z /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/10-hp-vfd.html a /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/3-phase-frequency-drive.html