Если вы ведете бизнес, в котором используются преобразователи частоты переменного тока (также называемые преобразователями частоты переменного тока или для краткости VFD), вы, вероятно, в какой-то момент сталкивались с головной болью, связанной с перегревом оборудования. Я поставляю преобразователи частоты переменного тока на заводы, небольшие производственные цеха и даже коммерческие объекты уже более 10 лет, и один из наиболее частых вопросов, которые я получаю от клиентов: «Какое охлаждение мне действительно нужно для этого?» Это не просто вопрос: пропустите правильный отвод тепла, и вы столкнетесь с преждевременным выходом из строя деталей, незапланированными простоями и гораздо большими счетами за ремонт, чем если бы вы планировали охлаждение заранее. Давайте разберем это простыми словами, без перегрузки инженерным жаргоном, и свяжем все, что я узнал, работая со всеми типами двигателей.
Во-первых, давайте начнем с основ: что такое преобразователь частоты переменного тока и почему он вообще выделяет тепло? Если вы новичок в этом, преобразователь частоты переменного тока регулирует скорость электродвигателя, изменяя частоту и напряжение подаваемой на него мощности. Это намного эффективнее, чем постоянная работа двигателя на полной скорости для задач, которые в этом не нуждаются — например, конвейерной ленты, которой требуется только половина скорости для легких нагрузок, или вентилятора, который замедляется в мягкие дни. Но вот в чем загвоздка: ни одно электрическое устройство не имеет эффективности на 100%. Даже самые лучшие преобразователи частоты переменного тока теряют около 2–5% потребляемой мощности в виде тепла. Для примера: если у вас есть двигатель мощностью 10 лошадиных сил (ЛС), работающий на полной скорости, преобразователь частоты будет потреблять около 7457 Вт мощности (поскольку 1 л.с. = ~745,7 Вт) и тратить примерно 150–370 Вт на тепло. Если вы увеличите это до системы мощностью 100 л.с., это будет 1500–3700 Вт тепла только от самого привода. Умножьте это на количество часов в день, когда работает привод, и вы поймете, что тепло быстро накапливается.
Вот почему правильное соблюдение требований по отводу тепла заключается не только в «поддержании охлаждения диска», а в защите всей системы. Я уже видел, как клиенты обходились здесь раньше: небольшая пекарня, с которой я работал пару лет назад, установила дешевый VFD на свой тестомес, засунула его в тесный электрический шкаф без дополнительной вентиляции, и через 6 месяцев IGBT привода (биполярный транзистор с изолированным затвором, основной компонент питания) сгорел из-за перегрева. В итоге им пришлось заменить не только привод, но и двигатель смесителя, что обошлось им намного дороже, чем если бы они добавили в шкаф небольшой вентилятор или радиатор при его установке.
Как же рассчитать точное рассеивание тепла, необходимое для вашего конкретного преобразователя частоты переменного тока? Это не универсальное число, поэтому я всегда советую клиентам начинать с двух ключевых факторов: номинальной мощности накопителя и его эффективности работы. Большинство современных преобразователей частоты переменного тока имеют КПД от 95% до 98%, поэтому формула тепловых потерь довольно проста: Тепловые потери = (Входная мощность привода) x (1 – КПД). Давайте рассмотрим это на реальном примере. Предположим, у вас есть преобразователь частоты переменного тока мощностью 5 л.с., питающий насос (вы можете ознакомиться с нашей моделью, ориентированной на небольшой двигатель, по адресу /vector- Frequency-converter/ Economic-Frequency-Converter/vfd-for-small-motors.html для получения информации по маломощным агрегатам). Входная мощность привода мощностью 5 л.с. составляет около 3728 Вт. Если его эффективность составляет 96%, это означает, что он теряет 4% этой мощности в виде тепла: 3728 x 0,04 = ~149 Вт. Это количество тепла, которое выделяет сам привод. Но подождите, мы еще не закончили. Вам также необходимо учитывать тепло от двигателя и других находящихся рядом электрических компонентов в том же корпусе. Например, асинхронный двигатель мощностью 5 л.с. теряет около 1–3% своей мощности в виде тепла при работе с полной нагрузкой, поэтому добавьте сюда еще 37–111 Вт плюс любое тепло от проводки или других элементов управления в шкафу. В общем, общее количество рассеиваемого тепла для этой небольшой системы составляет около 200–260 Вт.
Для более крупных систем — скажем, преобразователя частоты переменного тока мощностью 100 л.с., питающего конвейерную систему на складе, — математика меняется, но логика остается той же. Привод мощностью 100 л.с. имеет входную мощность ~74 570 Вт. При КПД 97% это составляет 2237 Вт тепла только от привода. Добавьте к этому 745–2237 Вт тепловых потерь двигателя мощностью 100 л.с., и вы получите в общей сложности более 3000 Вт, которые нужно рассеять. Это большое число, поэтому для больших дисков обычно требуется специальное охлаждение, а не просто вентилятор в одной комнате.
Но есть ошибка, которую допускают многие люди: они используют номинальную мощность привода на полной скорости для расчета теплопотерь, но большинство приложений не работают на полной скорости в 100% случаев. Если ваш VFD работает только со скоростью 50%, его эффективность немного возрастает (примерно до 97-98%), а его входная мощность падает, поэтому потери тепла также уменьшаются. Например, если этот привод мощностью 5 л.с. работает на скорости 50 %, его входная мощность составит ~ 1864 Вт, КПД — 97 %, поэтому потери тепла составят всего ~ 56 Вт. Вот почему я всегда советую клиентам использовать фактическую среднюю рабочую нагрузку, а не максимальную мощность при определении потребностей в охлаждении. Легко преувеличить мощность охлаждения, но это приведет к потере энергии и денег; если ее уменьшить, возникнут те же проблемы с перегревом, о которых мы говорили ранее.
Далее давайте поговорим о различных способах рассеивания этого тепла, поскольку тот метод, который вы используете, зависит от вашей установки. Самым простым является пассивное охлаждение: радиатор, прикрепленный к внутренним компонентам накопителя, который позволяет теплу излучаться в окружающий воздух. Это отлично подходит для небольших маломощных приводов (до 5 л.с.), которые устанавливаются в открытых, хорошо вентилируемых помещениях. Но если у вас есть небольшой моторный привод, спрятанный в тесной панели управления вместе с другим оборудованием, пассивного охлаждения недостаточно. Вот тут-то и приходит на помощь принудительное воздушное охлаждение: небольшой вентилятор, установленный на приводе или рядом с ним, который обдувает радиатор холодным воздухом или вытягивает горячий воздух из корпуса. Для приводов среднего размера (5–50 л.с.) оптимальным вариантом является принудительная подача воздуха: она доступна по цене, проста в установке и подходит для большинства коммерческих и легких промышленных установок.
Для более крупных приводов (более 50 л.с.) или приводов, установленных в закрытых помещениях с высокими температурами окружающей среды (например, в котельной или на складе в Аризоне летом), вам потребуется жидкостное охлаждение. При этом используется контур охлаждающей жидкости, который отводит тепло от внутренних компонентов привода, а затем пропускает эту охлаждающую жидкость через теплообменник, чтобы выпустить тепло в наружный воздух. Жидкостное охлаждение обходится дороже, но оно более эффективно для мощных систем и поддерживает постоянную температуру накопителя, независимо от того, насколько жарко на улице. Я видел, как клиенты с дисками мощностью более 100 л.с. на складах без кондиционера экономили тысячи на затратах на ремонт, переходя с принудительного воздушного охлаждения на жидкостное.
Еще один момент, на который следует обратить внимание, — это температура окружающей среды. Требования к рассеянию тепла удваиваются, если средняя температура в вашей диспетчерской на 10°F выше стандартной (77°F или 25°C, что является отраслевым стандартом для работы привода). Если в вашем помещении большую часть года жарко, вам понадобится дополнительная охлаждающая способность, чтобы компенсировать это. Например, если вы работаете на заводе, где в диспетчерских круглый год поддерживается температура около 90°F (32°C), то приводу мощностью 5 л.с., о котором я упоминал ранее, который требовал только 150 Вт теплопотерь при 77°F, теперь потребуется около 200 Вт охлаждения. Небольшие изменения, подобные этой, складываются, особенно для систем, которые работают 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
Теперь давайте вернемся к тому, почему это важно для вас как покупателя. Независимо от того, заменяете ли вы старый преобразователь частоты переменного тока или оснащаете новую машину, правильное рассеивание тепла продлит срок службы вашего привода и позволит избежать незапланированных простоев. Я всегда советую клиентам задать себе три вопроса, прежде чем они завершат настройку: 1) Какова общая тепловая мощность привода, двигателя и любых других компонентов в том же корпусе? 2) Какова температура окружающей среды, в которой будет установлен привод? 3) Как часто привод работает при полной нагрузке или при частичной нагрузке? Если вы сможете ответить на эти вопросы, вы точно будете знать, какое охлаждение вам нужно.
И если вы не знаете, с чего начать, я здесь именно для этого. Я работал со всеми типами применений, от небольших миксеров для хлебобулочных изделий до конвейерных систем мощностью 200 л.с., и могу помочь вам определить размер вашего привода и рассчитать потребности в охлаждении без головной боли. Наша команда специализируется на преобразователях частоты переменного тока для двигателей всех размеров, включая небольшие блоки, ориентированные на двигатели, ссылки на которые можно найти по адресу /vector- Frequency-converter/ Economic-Frequency-Converter/ac-Frequency-changer.html, поэтому вы знаете, что получаете привод, созданный для работы в реальных тепловых условиях.
Подождите, небольшое замечание, чтобы избежать еще одной распространенной ошибки: не забудьте учесть пространство вокруг диска. Даже если у вас достаточное охлаждение, если ваш VFD втиснут в панель, где нет места для циркуляции воздуха, будет накапливаться тепло. Обычно я рекомендую оставлять не менее 6 дюймов пространства со всех сторон накопителя для циркуляции воздуха. Эти 6 дюймов могут показаться не такими уж важными, но они могут сыграть решающую роль между диском, который работает 10 лет, и тем, который умирает через 2 года.
В конце концов, тепло — самый большой враг преобразователей частоты переменного тока. Я видел очень много клиентов, которые экономили на охлаждении, чтобы сэкономить несколько долларов вперед, но в конечном итоге платили за новый диск и время простоя в будущем. Если вы ищете новый преобразователь частоты переменного тока или вам нужна помощь в определении ваших потребностей в отводе тепла, обратитесь к нашей команде, чтобы обсудить ваш проект — никаких коммерческих предложений, только прямой совет, основанный на многолетнем опыте работы с таким же оборудованием, как ваше. Не позволяйте плохому управлению теплом сорвать вашу работу; давайте сделаем это правильно с первого раза.
ССЫЛКИ
- Моторные приводы: понимание основ преобразователей частоты переменного тока, Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA)
- Рекомендации по рассеиванию тепла для промышленных преобразователей частоты, стандарт Международной электротехнической комиссии (IEC) 61800-5-1
- Руководство по применению ЧРП для малых двигателей, Ассоциация промышленных двигателей и управления (IMCA)