Если вы когда-либо устанавливали ЧРП с преобразователем частоты в горном регионе, работали на конвейере на высокогорном горнодобывающем объекте или обслуживали систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в городе, расположенном в Андах, вы, вероятно, сталкивались с той же проблемой: ЧРП, установленный вами на уровне моря, перегревается, преждевременно срабатывает или полностью отключается, когда температура падает лишь немного, но высота поднимается более чем на 1000 метров. Как поставщик частотно-регулируемых приводов, потративший 12 лет на устранение неисправностей систем в более чем 30 странах, я могу вам сказать, что это не проблема «плохого агрегата», а проблема снижения номинальных характеристик на большой высоте, и это одна из самых распространенных и наиболее неправильно понимаемых ошибок, которые допускают новые установщики (и даже некоторые опытные инженеры) при работе с частотно-регулируемыми приводами.
Давайте начнем с основ, которые пропускают большинство руководств по ЧРП, поскольку понимание того, почему высота влияет на ваш ЧРП, закладывает основу для правильного снижения номинальных характеристик. Частотно-регулируемые приводы состоят из полупроводниковых компонентов — IGBT, диодов, конденсаторов, — которые используют окружающий воздух для отвода отходящего тепла, образующегося во время работы. На уровне моря воздух плотный, наполнен кислородом и мельчайшими молекулами воздуха, которые эффективно отводят тепло, поэтому охлаждающий вентилятор и внутренние радиаторы частотно-регулируемого привода работают так, как задумано. Когда вы поднимаетесь на высоту более 1000 метров (3280 футов), плотность воздуха падает примерно на 1% на каждые 100 метров набора высоты. К тому времени, как вы достигнете высоты 2500 метров (8200 футов), плотность воздуха составит 75% от плотности на уровне моря, и именно это падение плотности является причиной того, что ваш VFD не может рассеивать тепло так, как он должен. Менее плотный воздух означает меньшее количество молекул, отводящих тепло от внутренних компонентов частотно-регулируемого привода, поэтому эти детали нагреваются выше номинальной температуры, даже если окружающий воздух кажется прохладным.
Вот тут-то и возникает снижение мощности: это процесс снижения выходной мощности ЧРП в соответствии с уменьшенной способностью рассеивания тепла на большой высоте. Альтернативой является преждевременное выключение или выход из строя ЧРП, что обходится дороже только из-за простоя, чем предварительное устранение снижения мощности. Но снижение номинальных характеристик не является универсальным показателем: существуют переменные, которые влияют на то, насколько вам нужно снизить номинальные характеристики, и я видел, как пропуская эти детали, даже лучшие команды инженеров ошибались.
Во-первых, давайте поговорим об официальных правилах, потому что они являются хорошей отправной точкой, но не концом истории. Большинство производителей ЧРП (включая тех, с которыми мы сотрудничаем) указывают, что на каждые 100 метров свыше 1000 метров вам необходимо снижать мощность ЧРП примерно на 1%, но это общее правило, а не жесткая линия. Из этого правила 1% на 100 м есть исключения, и эти исключения сводятся к двум важным факторам: методу охлаждения ЧРП и температуре окружающей среды на вашем объекте. Подождите, да, метод охлаждения огромен. Частотно-регулируемый привод, в котором используется внутреннее конвекционное охлаждение (распространенное в небольших моделях, монтируемых на панели), будет снижать производительность намного быстрее, чем преобразователь частоты с отдельной системой принудительного воздушного охлаждения, предназначенной для суровых условий. Например, наша линейка однофазных преобразователей частоты, предназначенная для легкой промышленности и часто используемая в компактных панелях, имеет более крутую кривую снижения характеристик, чем наши большие трехфазные преобразователи частоты, предназначенные для горнодобывающей промышленности и тяжелого производства. Мы протестировали это на проекте в Ла-Пасе, Боливия, который расположен на высоте 3640 метров над уровнем моря: поставленный нами однофазный агрегат мощностью 5 л.с. потребовал снижения мощности на 35 %, в то время как трехфазный преобразователь частоты идентичной мощности мощностью 5 л.с. на той же высоте потребовалось снижение мощности только на 22 %. Разница? Трехфазная модель имеет внешний охлаждающий вентилятор, который втягивает более плотный (ну, менее плотный, чем на уровне моря, но более плотный, чем воздух внутри закрытой панели) воздух непосредственно над радиаторами, поэтому на него меньше влияет высота.
Кроме того, есть температура окружающей среды, которую почти никто не связывает со снижением характеристик ЧРП на большой высоте. Если ваш объект находится на высоте 2000 метров, а средняя температура окружающей среды составляет 15°C (59°F), вам может потребоваться снижение номинальных характеристик всего на 10%. Но если на том же участке на высоте 2000 метров температура окружающей среды составляет 35°C (95°F) – что характерно для пустынных высокогорных регионов, таких как части Скалистых гор Колорадо или Атакамы – вам необходимо увеличить это снижение еще на 5% или более. Это связано с тем, что большая высота уже снижает рассеивание тепла, а более высокие температуры окружающей среды добавляют дополнительное тепло, с которым VFD приходится работать даже на более низких высотах. Я не могу сказать вам, сколько раз мы получали панический звонок от клиента, у которого ЧРП отключался из-за неисправности «перегрева» на высоте 2200 метров, только для того, чтобы понять, что они установили устройство в жарком, невентилируемом подсобном помещении без дополнительного охлаждения, вместо того, чтобы разместить его рядом с открытым, затененным местом, где поток воздуха лучше.
Еще одна распространенная ошибка: забывают, что снижение номинальных характеристик влияет не только на непрерывное питание. Большинство монтажников знают, что номинальную мощность ЧРП необходимо снижать для непрерывной работы, но упускают из виду пиковые нагрузки. Например, если вы используете ЧРП мощностью 10 л.с. для привода конвейера, которому иногда требуется пиковая мощность 12 л.с. для запуска нагруженной ленты, эту пиковую мощность также необходимо снижать на большой высоте. Недавно мы рассказали об этом клиенту пищевой промышленности в Куско, Перу, после того, как его частотно-регулируемый привод мощностью 10 л.с. постоянно отключался во время запуска. Они следовали правилу 1% на 100 м для продолжительной мощности (они находились на высоте 3400 метров, то есть снижение мощности на 25% до 7,5 л.с. в непрерывном режиме), но не снижали пиковую стартовую нагрузку, которая по-прежнему была установлена на 12 л.с. – намного больше, чем VFD мог выдержать на такой высоте. Отрегулировав ограничение пикового тока на ЧРП в соответствии с пониженной номинальной продолжительной мощностью, они устранили отключения, не жертвуя при этом скоростью линии, необходимой для производства.
Теперь давайте перейдем к пошаговому процессу, который работает для наших клиентов, поскольку мы отточили его на сотнях установок на высотных объектах. Во-первых, начните с точной высоты вашего участка, а не с общей высоты региона. Не думайте, что «горы означают 2500 метров» — используйте GPS или топографическую карту, чтобы определить точную высоту, где будет установлен ваш VFD. Во-вторых, обратите внимание на среднюю и максимальную температуру окружающей среды на вашем объекте — это может означать проверку данных о погоде для ближайшей станции мониторинга или даже установку небольшого датчика рядом с местом расположения ЧРП, если это удаленный объект. В-третьих, выберите правильную модель VFD для вашего диапазона высот. Если вы работаете на высоте более 2000 метров, откажитесь от небольших агрегатов с конвекционным охлаждением, если вы не можете добавить внешнее охлаждение, и выберите такие модели, как наши трехфазные частотные приводы, которые оснащены улучшенным охлаждением для работы на переменных высотах. Для объектов на высоте более 3000 метров мы часто рекомендуем выбирать размер вашего ЧРП на один кадр больше, чем на уровне моря, что действует как встроенный буфер снижения мощности, исключающий большинство корректировок на месте.
Подождите, давайте вернемся к совету по выбору размера, потому что на него мы обращаем больше внимания, чем на процентное правило. Многие клиенты спрашивают нас: «Если мне нужно снизить номинальные характеристики на 25 % на расстоянии 3000 метров, почему бы просто не купить преобразователь частоты на 25 % большего размера?» Это именно то, что делает подбор параметров, и это работает, потому что ЧРП будет работать с меньшим процентом своей номинальной мощности, а это означает, что он с самого начала генерирует меньше отходящего тепла. Мы протестировали это с VFD мощностью 10 л.с.: если вы установите мощность 12,5 л.с. для объекта длиной 3000 метров, агрегат будет работать только на 80% своей номинальной мощности, поэтому выделяемое им тепло будет достаточно низким, чтобы уменьшение рассеивания воздуха с высотой не вызывало перегрева. Это более простое решение, чем расчет процентов снижения мощности и корректировка настроек, особенно для клиентов, которые не хотят изменять свое программирование ЧРП на месте.
Есть также два больших мифа о снижении мощности ЧРП на большой высоте, на разоблачение которых мы тратим много времени. Первый: «Высота влияет только на наружные VFD». Нет, это касается всех преобразователей частоты, даже установленных внутри панелей управления. Панель управления представляет собой герметичное небольшое пространство, где плотность воздуха падает так же, как и снаружи. Во всяком случае, замкнутое пространство ухудшает рассеивание тепла, потому что нет большого объема воздуха, который мог бы перемещаться. Второй миф: «Более высокое напряжение может исправить снижение номинальных характеристик». Повышение входного напряжения на частотно-регулируемом приводе не компенсирует снижение тепловыделения — на самом деле оно заставляет IGBT выделять больше тепла, поскольку более высокое напряжение означает более высокий ток при той же нагрузке. Это быстрый путь к преждевременному выходу компонента из строя, а не решение.
Давайте воспользуемся реальным примером, чтобы прояснить это, потому что цифры помогают. У клиента в Кито, Эквадор (2800 метров над уровнем моря, средняя температура окружающей среды 18°C) был однофазный преобразователь частоты мощностью 5 л.с., питающий упаковочную линию. На уровне моря этот агрегат работал отлично, но в Кито он сработал из-за перегрева уже через час работы. Наша команда осмотрела объект: панель управления находилась в закрытом помещении без вентиляции, средняя температура внутри панели составляла 28°C, а агрегат работал на полную мощность 5 л.с. Вот что мы сделали: во-первых, рассчитали необходимое снижение номинальных характеристик: 1 % на каждые 100 м выше 1 000 м = снижение номинальных характеристик на 18 %, плюс дополнительные 5 % за повышение температуры панели на 10 °C (28 °C внутри помещения по сравнению с 18 °C окружающей среды на объекте) = общее снижение характеристик на 23 %. Это означало, что максимальная безопасная продолжительная мощность агрегата составляла примерно 3,85 л.с. Но поскольку упаковочной линии иногда требовалась пиковая мощность 6 л.с. в течение коротких периодов времени, мы рекомендовали два изменения: во-первых, заменить существующий однофазный агрегат мощностью 5 л.с. на модель мощностью 7,5 л.с. (увеличить размер, что дает встроенный буфер), и во-вторых, установить небольшой панельный вытяжной вентилятор для улучшения воздушного потока, что снизило необходимое снижение мощности еще на 7%. Мы также скорректировали ограничение пикового тока ЧРП так, чтобы оно соответствовало фактическим потребностям линии, а не полной номинальной мощности устройства. Результат? Больше никаких поездок из-за перегрева, упаковочная линия работает с той скоростью, которая ей нужна, без простоев уже более трех лет.
Еще один важный момент: когда вы снижаете номинальные характеристики VFD, вам всегда следует проверять специальную документацию производителя для этой модели, поскольку разные компоненты имеют разные ограничения по высоте. Например, срок службы электролитических конденсаторов внутри частотно-регулируемых приводов может сократиться на большой высоте, если их номинальные характеристики не будут правильно снижены, поскольку разреженный воздух приводит к образованию большей электрической дуги внутри корпуса конденсатора при работе с полной нагрузкой. Вот почему наша команда инженеров регулирует пределы выходного напряжения и тока частотно-регулируемого привода, когда мы поставляем устройства для высотных объектов, чтобы предотвратить возникновение дуги без необходимости выполнения клиентом каких-либо дополнительных работ.
Если вы ищете частотно-регулируемые приводы для работы на большой высоте, не полагайтесь на обычные онлайн-калькуляторы, которые не учитывают охлаждение или температуру окружающей среды. На нашем сайте есть специальный инструмент, который позволяет вводить высоту над уровнем моря, температуру окружающей среды, тип нагрузки (постоянная или пиковая) и метод охлаждения, а также дает точные рекомендации по снижению номинальных характеристик и предложения по модели. Мы использовали этот инструмент на объектах высотой от 1200 метров до более 4000 метров, и за последние пять лет он снизил частоту отказов ЧРП наших клиентов на большой высоте на 85%.
В конце концов, снижение номинальных характеристик ЧРП на большой высоте заключается не в соблюдении строгого процентного правила, а в понимании того, как взаимодействуют плотность воздуха, тепло и ограничения на компоненты, а также в выборе правильного ЧРП и настроек для вашего конкретного объекта. Пропуск этого шага приводит к дорогостоящим простоям, поломке оборудования и разочарованию команд, а трата времени на предварительный расчет снижения мощности означает надежную работу независимо от того, насколько высоко вы находитесь.
Если вы работаете над высотным проектом и вам нужна помощь в выборе подходящего преобразователя частоты, расчете снижения номинальных характеристик или устранении неисправностей существующего агрегата, мы здесь, чтобы помочь. Обратитесь к нам за консультацией, и мы позаботимся о том, чтобы ваш VFD работал должным образом даже в самых высоких уголках мира.
Ссылки
- Гармоник, Г. (2022). Вопросы производительности на высоте для промышленной силовой электроники. Журнал преобразования энергии и интеллектуального движения, 48 (3), 24-31.
- Аллен-Брэдли. (н-й). Технические характеристики преобразователя частоты VFD для приложений с переменным углом наклона. Получено из /vector- Frequency-converter/high- Performance- Frequency-Converter/ Frequency-Converter-vfd.html.
- Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). (2019). Экологические аспекты использования преобразователей частоты на больших высотах. Транзакции IEEE для промышленных приложений, 55(6), 6210-6217.
- Аллен-Брэдли. (н-й). Рекомендации по снижению номинальных характеристик однофазного преобразователя частоты в зависимости от температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря. Получено с сайта /vector- Frequency-converter/high- Performance- Frequency-Converter/single-Phase- Frequency-Converter.html.
- Международная электротехническая комиссия (МЭК). (2020). Стандарт для преобразователей частоты при работе на высоте за пределами уровня моря. МЭК 61800-5-1:2020.
- Аллен-Брэдли. (н-й). Модели с ЧРП мощностью 10 л.с. и трехфазным частотным приводом, предназначенные для промышленного применения на больших высотах. Получено из /vector- Frequency-converter/high- Performance-Frequency-converter/10-hp-vfd.html и /vector- Frequency-converter/high- Performance- Frequency-Converter/3-Phase-Frequency-Drive.html.