اگر تا به حال یک VFD مبدل فرکانس را در یک منطقه کوهستانی نصب کرده اید، روی یک تسمه نقاله در یک سایت معدنکاری در ارتفاع بالا کار کرده اید، یا یک سیستم HVAC را در شهری در کوه های آند نگهداری می کنید، احتمالاً با مشکل مشابهی مواجه شده اید: این VFD که در سطح دریا نصب کرده اید بیش از حد گرم می شود، درجه حرارت را به طور کامل کاهش می دهد یا زمانی که به طور کامل افت می کند. بیش از 1000 متر به عنوان یک تامین کننده VFD که 12 سال را برای عیب یابی سیستم ها در بیش از 30 کشور وقت صرف کرده است، می توانم به شما بگویم که این یک مشکل "واحد بد" نیست - این یک مشکل کاهش ارتفاع در ارتفاع بالا است و یکی از رایج ترین و اشتباه ترین اشتباهات نصاب های جدید (و حتی برخی از مهندسان باتجربه) هنگام کار با درایوهای فرکانس متغیر است.
بیایید با اصولی شروع کنیم که اکثر راهنماهای VFD نادیده می‌گیرند، زیرا درک اینکه چرا ارتفاع بر VFD شما تأثیر می‌گذارد، پایه و اساس را برای کاهش رتبه‌بندی درست می‌کند. VFD ها با اجزای نیمه هادی - IGBT ها، دیودها، خازن ها - ساخته شده اند که برای انتقال گرمای اتلاف تولید شده در حین کار به هوای محیط متکی هستند. در سطح دریا، هوا متراکم است، مملو از اکسیژن و مولکول‌های ریز هوا است که گرما را به طور موثر حرکت می‌دهند، بنابراین فن خنک‌کننده VFD و هیت سینک‌های داخلی مطابق طراحی کار می‌کنند. هنگامی که از ارتفاع 1000 متری (3280 فوتی) بالا می روید، تراکم هوا به ازای هر 100 متر افزایش ارتفاع تقریباً 1٪ کاهش می یابد. زمانی که به ارتفاع 2500 متری (8200 فوتی) می رسید، هوا 75 درصد به اندازه سطح دریا متراکم است، و این کاهش چگالی دقیقاً به همین دلیل است که VFD شما نمی تواند گرما را آنطور که در نظر گرفته شده است دفع کند. هوای متراکم کمتر به معنای مولکول های کمتری است که گرما را از اجزای داخلی VFD دور می کنند، بنابراین این قطعات گرمتر از دمای نامی خود هستند، حتی اگر هوای اطراف احساس خنکی داشته باشد.
این همان جایی است که کاهش می یابد: این فرآیند کاهش توان خروجی VFD است تا با کاهش قابلیت اتلاف گرما در ارتفاع بالا مطابقت داشته باشد. گزینه جایگزین این است که اجازه دهید VFD خاموش شود یا زودتر از موعد از کار بیفتد، که صرفاً در زمان خرابی گرانتر از پرداختن به کاهش پیش از موعد است. اما کاهش یک عدد یک عدد مناسب برای همه نیست - متغیرهایی وجود دارند که میزان نیاز به کاهش را تغییر می‌دهند، و نادیده گرفتن این جزئیات همان جایی است که حتی تیم‌های مهندسی برتر را نیز اشتباه کرده‌ام.
ابتدا، اجازه دهید در مورد دستورالعمل های رسمی صحبت کنیم، زیرا آنها نقطه شروع خوبی هستند، اما پایان داستان نیستند. اکثر سازندگان VFD (از جمله آنهایی که با آنها شریک هستیم) مشخص می کنند که برای هر 100 متر بالای 1000 متر، باید قدرت VFD را تقریباً 1٪ کاهش دهید - اما این یک قانون کلی است، نه یک خط سخت. برای قانون 1% در هر 100 متر استثناهایی وجود دارد، و این استثناها به دو عامل بزرگ مربوط می شود: روش خنک کننده VFD و دمای محیط در سایت شما. صبر کنید، درست است - روش خنک کننده بسیار زیاد است. یک VFD که از خنک‌کننده داخلی مبتنی بر همرفت (معمول در مدل‌های کوچک‌تر با نصب پانل) استفاده می‌کند، بسیار سریع‌تر از VFD با سیستم خنک‌کننده مجزا با هوای اجباری که برای محیط‌های سخت طراحی شده است، از بین می‌رود. به عنوان مثال، خط مبدل فرکانس تک فاز ما، که برای کاربردهای صنعتی سبک ساخته شده و اغلب در پانل های فشرده استفاده می شود، نسبت به درایوهای فرکانس متغیر 3 فاز بزرگ ما که برای استخراج و تولید سنگین ساخته شده اند، منحنی کاهش تندتری دارد. ما این را در پروژه‌ای در لاپاز، بولیوی، که در ارتفاع 3640 متری از سطح دریا قرار دارد، آزمایش کردیم: یک واحد تک فاز 5 اسب بخاری که ما عرضه کردیم به 35 درصد کاهش قدرت نیاز داشت، در حالی که یک درایو فرکانس متغیر 3 فاز با قدرت یکسان با قدرت 5 اسب‌بخار در همان ارتفاع تنها به کاهش 22 درصدی نیاز داشت. تفاوت؟ مدل سه فاز دارای یک فن خنک کننده خارجی است که هوای متراکم تر (خوب، چگالی کمتر از سطح دریا، اما متراکم تر از هوای داخل یک پانل بسته) را مستقیماً روی هیت سینک ها می کشد، بنابراین کمتر تحت تأثیر ارتفاع قرار می گیرد.
سپس دمای محیط وجود دارد که تقریباً هیچ کس آن را به کاهش VFD در ارتفاع بالا ربط نمی دهد. اگر سایت شما 2000 متر است اما میانگین دمای محیط 15 درجه سانتیگراد (59 درجه فارنهایت) است، ممکن است فقط به 10 درصد کاهش نیاز داشته باشید. اما اگر همان مکان 2000 متری دمای محیطی 35 درجه سانتیگراد (95 درجه فارنهایت) دارد - که در مناطق بیابانی مرتفع مانند بخشهایی از کوههای راکی کلرادو یا آتاکاما رایج است - باید این کاهش را تا 5 درصد یا بیشتر افزایش دهید. این به این دلیل است که ارتفاع بالا در حال حاضر اتلاف گرما را کاهش می‌دهد و دمای محیط بالاتر گرمای بیشتری را اضافه می‌کند که VFD باید در اطراف کار کند، حتی در ارتفاعات پایین‌تر. من نمی توانم به شما بگویم که چند بار از یک مشتری که VFD با خطای «گرمای بیش از حد» در ارتفاع 2200 متری خاموش می شود، تماس گرفتیم، اما متوجه شدیم که آنها دستگاه را در یک کمد برقی گرم و بدون تهویه بدون خنک کننده اضافی نصب کرده اند، به جای اینکه آن را در نزدیکی یک منطقه باز و سایه دار قرار دهند که جریان هوا بهتر است.
یکی دیگر از اشتباهات رایج: فراموش کردن این موضوع که کاهش ارزش چیزی بیش از صرفاً توان مداوم را تحت تأثیر قرار می دهد. اکثر نصاب ها می دانند که اسب بخار نامی VFD را برای کار مداوم کاهش دهند، اما اوج بار را نادیده می گیرند. به عنوان مثال، اگر از یک VFD 10 اسب بخاری برای رانندگی نوار نقاله ای استفاده می کنید که گهگاه برای راه اندازی یک تسمه بارگذاری شده به قله 12 اسب بخاری نیاز دارد، این ظرفیت اوج نیز باید در ارتفاع بالا کاهش یابد. ما اخیراً با یک مشتری فرآوری مواد غذایی در کوسکو، پرو، از این طریق عبور کردیم، زیرا VFD 10 اسب بخاری آنها در طول راه‌اندازی دائماً از کار افتاد. آنها از قانون 1% در هر 100 متر برای قدرت پیوسته پیروی می کردند (در ارتفاع 3400 متری بودند، بنابراین کاهش 25٪، تا 7.5 اسب بخار مداوم) اما اوج بار شروع را که هنوز روی 12 اسب بخار تنظیم شده بود کاهش ندادند - بسیار بیشتر از VFD که در آن ارتفاع می توانست تحمل کند. با تنظیم حد حداکثر جریان در VFD برای مطابقت با توان پیوسته کاهش‌یافته، آنها بدون به خطر انداختن سرعت خط مورد نیاز برای تولید، خاموشی را حذف کردند.
اکنون، بیایید وارد فرآیند گام به گامی شویم که برای مشتریان ما کار می کند، زیرا ما این را در صدها نصب در سایت های با ارتفاع بالا اصلاح کرده ایم. ابتدا با ارتفاع دقیق سایت خود شروع کنید، نه ارتفاع کلی منطقه. فرض نکنید که "کوه ها 2500 متر هستند" - از GPS یا نقشه توپوگرافی برای بدست آوردن ارتفاع دقیق جایی که VFD شما نصب می شود استفاده کنید. دوم، میانگین و حداکثر دمای محیط سایت خود را یادداشت کنید - این ممکن است به معنای بررسی داده های آب و هوا برای نزدیکترین ایستگاه نظارت باشد، یا حتی اگر یک سایت از راه دور باشد، یک حسگر کوچک در نزدیکی محل VFD نصب کنید. سوم، مدل VFD مناسب را برای محدوده ارتفاع خود انتخاب کنید. اگر بالای 2000 متر کار می‌کنید، از واحدهای کوچک خنک‌کننده همرفت صرفنظر کنید، مگر اینکه بتوانید خنک‌کننده خارجی اضافه کنید، و مدل‌هایی مانند خطوط درایو فرکانس 3 فاز ما را انتخاب کنید که با خنک‌کننده پیشرفته برای ارتفاع‌های متغیر ساخته شده‌اند. برای مکان‌های بالاتر از 3000 متر، ما اغلب توصیه می‌کنیم که VFD خود را یک فریم بزرگتر از سطح دریا اندازه‌گیری کنید، که به عنوان یک بافر کاهش‌دهنده داخلی عمل می‌کند که بسیاری از تنظیمات در محل را حذف می‌کند.
صبر کنید، بیایید دایره ای به آن نکته اندازه گیری کنیم، زیرا این نکته ای است که بیشتر از قانون درصد تاکید می کنیم. بسیاری از مشتریان از ما می پرسند: "اگر من نیاز به کاهش 25٪ در 3000 متر دارم، چرا فقط یک VFD 25٪ بزرگتر خریداری نکنم؟" این دقیقاً همان کاری است که افزایش اندازه انجام می دهد، و کار می کند زیرا VFD با درصد کمتری از ظرفیت نامی خود کار می کند، به این معنی که در ابتدا گرمای اتلاف کمتری تولید می کند. ما این را با یک VFD 10 اسب بخاری آزمایش کردیم - اگر اندازه آن را به 12.5 اسب بخار برای یک سایت 3000 متری اندازه‌گیری کنید، دستگاه تنها با 80 درصد ظرفیت نامی خود کار می‌کند، بنابراین گرمای تولید شده به اندازه‌ای کم است که کاهش اتلاف هوا ناشی از ارتفاع باعث گرمای بیش از حد نشود. این یک راه حل ساده تر از محاسبه درصد کاهش و تنظیم تنظیمات است، به خصوص برای مشتریانی که نمی خواهند برنامه نویسی VFD خود را در محل تغییر دهند.
همچنین دو افسانه بزرگ در مورد کاهش VFD در ارتفاع بالا وجود دارد که ما زمان زیادی را صرف رفع آنها می کنیم. اولی: "ارتفاع فقط بر VFD های فضای باز تاثیر می گذارد." نه، این روی همه VFD ها، حتی آنهایی که در داخل کنترل پنل نصب شده اند، تاثیر می گذارد. پانل کنترل یک فضای بسته و کوچک است که در آن چگالی هوا به همان اندازه که در بیرون کاهش می یابد کاهش می یابد - در غیر این صورت، فضای محدود اتلاف گرما را بدتر می کند زیرا حجم زیادی از هوا برای حرکت در اطراف وجود ندارد. افسانه دوم: "ولتاژ بالا می تواند کاهش را برطرف کند." افزایش ولتاژ ورودی به VFD کاهش اتلاف گرما را جبران نمی کند - در واقع باعث می شود IGBT ها گرمای بیشتری تولید کنند، زیرا ولتاژ بالاتر به معنای جذب جریان بیشتر برای همان بار است. این یک مسیر سریع برای خرابی زودهنگام قطعات است، نه یک راه حل.
بیایید از یک مثال واقعی برای ساختن این موضوع استفاده کنیم، زیرا اعداد کمک می کنند. یک مشتری در کیتو، اکوادور، (2800 متر بالاتر از سطح دریا، متوسط دمای محیط 18 درجه سانتیگراد) یک مبدل فرکانس تک فاز 5 اسب بخار داشت که یک خط بسته بندی را تامین می کرد. در سطح دریا، این واحد کاملاً کار می کرد، اما در کیتو، در عرض یک ساعت پس از دویدن، در اثر گرمای بیش از حد خاموش شد. تیم ما به سایت نگاه کرد: کنترل پنل در یک اتاق بسته بدون تهویه بود، دمای متوسط داخل پانل 28 درجه سانتیگراد بود، و واحد با ظرفیت کامل 5 اسب بخار کار می کرد. کاری که ما انجام دادیم به این صورت است: اول، کاهش‌سنجی مورد نیاز را محاسبه کردیم: 1% در هر 100 متر بالای 1000 متر = 18% کاهش، به علاوه 5% اضافی برای افزایش دمای پانل 10 درجه سانتیگراد (محیط 28 درجه سانتیگراد در مقابل 18 درجه سانتیگراد محیط سایت) = کل کاهش 23 درصد. این بدان معناست که حداکثر خروجی مداوم ایمن این واحد تقریباً 3.85 اسب بخار بود. اما از آنجایی که خط بسته بندی گهگاه به پیک 6 اسب بخار برای دوره های کوتاه نیاز داشت، ما دو تغییر را توصیه می کنیم: اول، واحد تک فاز 5 اسب بخاری موجود را با یک مدل 7.5 اسب بخاری (افزایش اندازه، که یک بافر داخلی ایجاد می کند) تعویض کنید، و دوم، نصب یک فن اگزوز پانل کوچک برای بهبود جریان هوا، که کاهش مورد نیاز را تا 7 درصد دیگر کاهش داد. ما همچنین حد حداکثر جریان VFD را برای مطابقت با نیازهای واقعی خط تنظیم کردیم، نه ظرفیت نامی کامل واحد. نتیجه؟ دیگر نیازی به گرمای بیش از حد نیست، و خط بسته بندی با سرعتی که آنها نیاز دارند کار می کند و بیش از سه سال است که زمان خاموشی صفر است.
نکته مهم دیگر: وقتی یک VFD را کاهش می دهید، همیشه باید مستندات خاص سازنده آن مدل را بررسی کنید، زیرا اجزای مختلف محدودیت ارتفاع متفاوتی دارند. به عنوان مثال، خازن های الکترولیتی داخل VFD ها اگر به درستی کاهش نیافته باشند، می توانند طول عمر خود را در ارتفاع بالا کاهش دهند، زیرا هوای رقیق باعث ایجاد قوس الکتریکی بیشتری در داخل محفظه خازن در هنگام کار با بار کامل می شود. به همین دلیل است که تیم مهندسی ما محدودیت‌های ولتاژ و جریان خروجی VFD را هنگامی که واحدهایی را برای سایت‌های در ارتفاع بالا عرضه می‌کنیم، تنظیم می‌کند تا از وقوع این قوس بدون نیاز به کار اضافی مشتری جلوگیری کند.
اگر در بازار VFD ها برای کاربرد در ارتفاع بالا هستید، به ماشین حساب های آنلاین عمومی که خنک کننده یا دمای محیط را در نظر نمی گیرند، اعتماد نکنید. ما یک ابزار سفارشی در سایت خود داریم که به شما امکان می‌دهد ارتفاع ورودی، دمای محیط، نوع بار (پیوسته در مقابل پیک)، و روش خنک‌سازی را وارد کنید، و به شما توصیه‌های درجه‌بندی دقیق و پیشنهاد مدل می‌دهد. ما از این ابزار برای سایت‌هایی از 1200 متر تا بیش از 4000 متر استفاده کرده‌ایم و نرخ خرابی VFD مشتریانمان را در ارتفاع بالا تا 85 درصد در طول پنج سال گذشته کاهش داده است.
در پایان، کاهش نرخ VFD در ارتفاع بالا به دنبال پیروی از یک قانون درصد سختگیرانه نیست، بلکه در مورد نحوه تعامل چگالی هوا، گرما و محدودیت های اجزا و انتخاب VFD و تنظیمات مناسب برای سایت خاص شما است. نادیده گرفتن این مرحله منجر به خرابی گران، تجهیزات خراب و تیم های ناامید می شود، در حالی که صرف زمان برای محاسبه کاهش از قبل به معنای عملکرد قابل اعتماد است، مهم نیست که چقدر بالا هستید.
اگر در حال کار بر روی یک پروژه در ارتفاع بالا هستید و برای انتخاب VFD مناسب، محاسبه کاهش ارزش یا عیب یابی یک واحد موجود به کمک نیاز دارید، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم. برای مشاوره با ما تماس بگیرید، و ما مطمئن خواهیم شد که VFD شما حتی در بالاترین نقاط جهان همانطور که باید کار می کند.
مراجع
- هارمونیک، جی (2022). ملاحظات عملکرد در ارتفاع بالا برای الکترونیک قدرت صنعتی مجله تبدیل توان و حرکت هوشمند، 48 (3)، 24-31.
- آلن برادلی. (دوم). مشخصات فنی مبدل فرکانس VFD برای کاربردهای ارتفاع متغیر. بازیابی شده از /وکتور-فرکانس-مبدل/مبدل-فرکانس-با-عملکرد-بالا/مبدل-فرکانس-vfd.html
- موسسه مهندسین برق و الکترونیک (IEEE). (2019). ملاحظات زیست محیطی برای درایوهای فرکانس متغیر در ارتفاعات بالا. IEEE Transactions on Industry Applications، 55(6)، 6210-6217.
- آلن برادلی. (دوم). دستورالعمل های درجه بندی مبدل فرکانس تک فاز برای دما و ارتفاع محیط. بازیابی شده از /بردار-فرکانس-مبدل/مبدل-فرکانس-با-عملکرد-بالا/مبدل-فرکانس-تک فاز.html
- کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC). (2020). استاندارد برای عملکرد درایو فرکانس متغیر در ارتفاعات غیر از سطح دریا. IEC 61800-5-1:2020.
- آلن برادلی. (دوم). مدل های VFD 10 اسب بخار و درایو فرکانس 3 فاز که برای کاربردهای صنعتی در ارتفاعات بالا طراحی شده اند. بازیابی شده از /بردار-فرکانس-مبدل/مبدل-فرکانس-با-عملکرد-بالا/10-hp-vfd.html و /بردار-فرکانس-مبدل/مبدل-فرکانس-با-عملکرد-بالا/درایو-فرکانس-3-فاز.html