Ak prevádzkujete firmu, ktorá sa spolieha na striedavé frekvenčné meniče (tiež nazývané meniče frekvencie alebo skrátene VFD), pravdepodobne ste sa niekedy stretli s bolesťou hlavy z prehrievania zariadenia. Už viac ako 10 rokov dodávam striedavé frekvenčné meniče do tovární, malých výrobných dielní a dokonca aj do komerčných zariadení a jedna z najčastejších otázok, ktoré dostávam od zákazníkov, je: „Koľko chladenia vlastne potrebujem na túto vec?“ Nie je to len otázka na zahodenie – vynechajte správny odvod tepla a pozeráte sa na predčasné poruchy dielov, neplánované prestoje a oveľa väčší účet za opravu, ako keby ste plánovali chladenie dopredu. Poďme si to rozobrať v jednoduchých termínoch, bez preťaženia inžinierskym žargónom a spojme to, čo som sa naučil pri práci s každým typom aplikácie motora.
Po prvé, začnime so základmi: Čo je to striedavý frekvenčný menič a prečo generuje teplo? Ak ste v tomto nováčik, striedavý frekvenčný menič upravuje rýchlosť elektromotora úpravou frekvencie a napätia energie, ktorá k nemu prichádza. Je to oveľa efektívnejšie ako neustále bežať motor na plné otáčky pri úlohách, ktoré to nepotrebujú – napríklad dopravný pás, ktorý potrebuje iba polovičné otáčky na ľahké zaťaženie, alebo ventilátor, ktorý sa spomaľuje počas miernych dní. Ale tu je háčik: Žiadne elektrické zariadenie nie je 100% účinné. Dokonca aj tie najlepšie striedavé frekvenčné meniče strácajú asi 2-5% energie, ktorú odoberajú ako teplo. Pre kontext, ak máte motor s výkonom 10 koní (HP), ktorý beží na plné otáčky, frekvenčný menič odoberie približne 7 457 wattov energie (pretože 1 HP = ~ 745,7 wattu) a stratí približne 150 – 370 wattov ako teplo. Ak to rozšírite na systém s výkonom 100 HP, je to 1 500 – 3 700 wattov tepla len zo samotného disku. Vynásobte to počtom hodín denne, kedy disk beží, a toto teplo sa rýchlo zvýši.
Preto dosiahnutie správnej požiadavky na odvod tepla nie je len o „udržiavaní disku v chlade“ – ide o ochranu celého systému. Videl som zákazníkov, ktorí tu už škrtali: Malá pekáreň, s ktorou som pred pár rokmi spolupracoval, nainštalovala lacný VFD na svoj miesič cesta, strčila ho do stiesnenej elektrickej skrine bez dodatočného vetrania a do 6 mesiacov sa IGBT (bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom, hlavná súčiastka napájania) smažil kvôli prehriatiu. Nakoniec museli vymeniť nielen pohon, ale aj motor mixéra, čo ich stálo oveľa viac, ako keby pri inštalácii pridali do skrine malý ventilátor alebo chladič.
Ako teraz vypočítate presný rozptyl tepla, ktorý potrebujete pre váš špecifický striedavý frekvenčný menič? Nie je to univerzálne číslo, a preto zákazníkom vždy hovorím, aby začali dvoma kľúčovými faktormi: menovitým výkonom disku a jeho prevádzkovou účinnosťou. Väčšina moderných striedavých frekvenčných meničov má hodnotenie účinnosti medzi 95 % a 98 %, takže vzorec pre tepelné straty je veľmi jednoduchý: Tepelná strata = (príkon pohonu) x (1 – účinnosť). Prejdime si to na skutočnom príklade. Predpokladajme, že máte striedavý frekvenčný menič s výkonom 5 HP, ktorý napája čerpadlo (môžete si pozrieť náš malý model zameraný na motor na adrese /vector-frequency-converter/economic-frequency-converter/vfd-for-small-motors.html ako referenciu pre jednotky s nízkym výkonom). Vstupný výkon pre 5 HP disk je okolo 3 728 wattov. Ak je 96% účinný, znamená to, že stratí 4% tohto výkonu ako teplo: 3 728 x 0,04 = ~ 149 wattov. To je množstvo tepla, ktoré vydáva samotný pohon. Ale počkajte – nekončíme. Musíte tiež počítať s teplom z motora a akýchkoľvek iných blízkych elektrických komponentov v rovnakom kryte. Napríklad indukčný motor s výkonom 5 HP stráca pri plnom zaťažení asi 1-3% svojho výkonu ako teplo, takže tam pridajte ďalších 37-111 wattov plus akékoľvek teplo z elektroinštalácie alebo iných ovládacích prvkov v skrini. Celkovo povedané, vaše celkové teplo, ktoré sa má rozptýliť, je približne 200-260 wattov pre tento malý systém.
Pre väčšie systémy – povedzme 100 HP striedavý frekvenčný menič napájajúci dopravníkový systém v sklade – sa matematika mení, ale logika zostáva rovnaká. Disk s výkonom 100 HP má vstupný výkon ~74 570 wattov. Pri 97 % účinnosti je to 2 237 wattov tepla zo samotného disku. Pridajte k tomu 745 – 2 237 wattov tepelných strát motora s výkonom 100 HP a uvidíte, že celkovo sa rozptýli viac ako 3 000 wattov. To je veľké číslo, a preto veľké jednotky zvyčajne potrebujú vyhradené chladenie, a nie iba ventilátor v tej istej miestnosti.
Tu je však chyba, ktorú robí veľa ľudí: Používajú menovitý výkon disku pri plnej rýchlosti na výpočet tepelných strát, ale väčšina aplikácií nebeží pri plnej rýchlosti 100 % času. Ak váš VFD beží len pri 50 % rýchlosti, jeho účinnosť mierne vzrastie (na približne 97 – 98 %) a jeho vstupný výkon klesne, takže sa znížia aj tepelné straty. Ak napríklad tento disk s výkonom 5 HP beží pri 50 % rýchlosti, jeho vstupný výkon je ~ 1 864 wattov, účinnosť je 97 %, takže tepelné straty sú iba ~ 56 wattov. Preto vždy zákazníkom hovorím, aby pri zisťovaní potrieb chladenia použili svoje skutočné priemerné prevádzkové zaťaženie, nie maximálne hodnotenie. Je ľahké predimenzovať chladenie, ale to plytvá energiou a peniazmi – poddimenzujete ho a dostanete rovnaké problémy s prehrievaním, o ktorých sme hovorili predtým.
Ďalej si povedzme o rôznych spôsoboch odvádzania tepla, pretože spôsob, ktorý použijete, závisí od vášho nastavenia. Najzákladnejšie je pasívne chladenie: chladič pripevnený k vnútorným komponentom disku, ktorý umožňuje vyžarovanie tepla do okolitého vzduchu. Funguje to skvele pre malé disky s nízkou spotrebou (do 5 HP), ktoré sú inštalované v otvorených, dobre vetraných priestoroch. Ak ale máte malý motorový pohon zastrčený v tesnom ovládacom paneli s ďalšou výbavou, pasívne chladenie nestačí. Tu prichádza na scénu nútené chladenie vzduchom: malý ventilátor namontovaný na disku alebo v jeho blízkosti, ktorý fúka chladný vzduch cez chladič alebo vyťahuje horúci vzduch von z krytu. Pre stredne veľké disky (5-50 HP) je vhodnou voľbou nútený vzduch – je cenovo dostupný, ľahko sa inštaluje a funguje pre väčšinu komerčných a ľahkých priemyselných zariadení.
Pre väčšie jednotky (nad 50 HP) alebo jednotky inštalované v uzavretých priestoroch s vysokou okolitou teplotou (ako je pec alebo sklad v Arizone počas leta) budete potrebovať chladenie kvapalinou. To využíva chladiacu slučku na odvádzanie tepla z vnútorných komponentov pohonu, potom vedie chladiacu kvapalinu cez výmenník tepla, aby sa uvoľnilo do vonkajšieho vzduchu. Kvapalinové chladenie je drahšie vopred, ale je oveľa efektívnejšie pre systémy s vysokým výkonom a udržuje disk na konštantnej teplote bez ohľadu na to, ako je vonku horúco. Videl som zákazníkov s 100+ diskami HP v neklimatizovaných skladoch, ako ušetrili tisíce nákladov na opravy prechodom z núteného vzduchového na kvapalinové chladenie.
Ďalšia vec, ktorú treba zvážiť, je teplota okolia. Požiadavka na rozptyl tepla sa zdvojnásobí, ak je priemerná teplota vo vašej riadiacej miestnosti o 10 °F vyššia ako štandard (77 °F alebo 25 °C, čo je priemyselný štandard pre prevádzku pohonov). Ak je váš priestor po väčšinu roka horúci, budete potrebovať dodatočnú chladiacu kapacitu, aby ste to nahradili. Napríklad, ak ste v továrni, kde kontrolné miestnosti zostávajú po celý rok okolo 90 °F (32 °C), ten 5 HP disk, o ktorom som sa zmienil vyššie a ktorý potreboval iba 150 wattov tepelnej straty pri 77 °F, bude teraz potrebovať chladenie okolo 200 wattov. Takéto malé úpravy sa sčítajú, najmä pre systémy, ktoré bežia 24 hodín denne, 7 dní v týždni.
Teraz sa vráťme späť k tomu, prečo je to pre vás ako kupujúceho dôležité. Či už vymieňate starý striedavý frekvenčný menič alebo vybavujete nový stroj, správny odvod tepla predĺži životnosť vášho disku a zabráni neplánovaným prestojom. Vždy hovorím zákazníkom, aby si pred dokončením nastavenia položili tri otázky: 1) Aký je celkový tepelný výkon z meniča, motora a akýchkoľvek iných komponentov v rovnakom kryte? 2) Aká je okolitá teplota, kde bude disk nainštalovaný? 3) Ako často beží disk pri plnom zaťažení v porovnaní s čiastočným? Ak na ne viete odpovedať, budete presne vedieť, aké chladenie potrebujete.
A ak si nie ste istí, kde začať, na to som tu. Pracoval som s každým typom aplikácie, od malých pekárenských mixérov až po 200 HP dopravníkové systémy, a môžem vám pomôcť dimenzovať váš disk a vypočítať vaše potreby chladenia bez bolesti hlavy. Náš tím sa špecializuje na striedavé meniče frekvencie pre všetky veľkosti motorov, vrátane malých jednotiek zameraných na motor, ktoré sú prepojené na /vector-frequency-converter/economic-frequency-converter/ac-frequency-changer.html, takže viete, že získavate pohon skonštruovaný tak, aby zvládol skutočné tepelné podmienky.
Počkajte, krátka poznámka, aby ste sa vyhli ďalšej bežnej chybe: Nezabudnite zohľadniť priestor okolo jednotky. Aj keď máte správne množstvo chladenia, ak je váš VFD natlačený v paneli bez priestoru na cirkuláciu vzduchu, teplo sa bude hromadiť. Zvyčajne odporúčam ponechať na všetkých stranách disku aspoň 6 palcov priestoru pre prúdenie vzduchu. Týchto 6 palcov sa nemusí zdať ako veľký problém, ale môže to znamenať rozdiel medzi diskom, ktorý beží 10 rokov a diskom, ktorý za 2 roky zanikne.
Na konci dňa je najväčším nepriateľom striedavých frekvenčných meničov teplo. Videl som toľko zákazníkov, ktorí šetrili chladením, aby vopred ušetrili pár dolárov, len aby nakoniec zaplatili za nový disk a prestoje. Ak hľadáte nový frekvenčný menič striedavého prúdu alebo potrebujete pomoc pri zisťovaní vašich potrieb v oblasti odvodu tepla, obráťte sa na náš tím a porozprávajte sa o svojom projekte – žiadne predajné ponuky, len priame rady založené na rokoch práce so zariadením, ako je to vaše. Nedovoľte, aby zlé hospodárenie s teplom vykoľajilo vaše operácie; poďme na to hneď na prvýkrát.
LITERATÚRA
- Motorové pohony: Pochopenie základov striedavého pohonu s premenlivou frekvenciou, National Electrical Manufacturers Association (NEMA)
- Smernice pre rozptyl tepla pre priemyselné meniče frekvencie, norma Medzinárodnej elektrotechnickej komisie (IEC) 61800-5-1
- Sprievodca aplikáciou malých motorov VFD, Asociácia priemyselných motorov a riadenia (IMCA)