Instalacja dużych napędów VFD, pracujących przy średnim napięciu, w pomieszczeniach z osprzętem mechanicznym wiąże się bezpośrednio z problemem występowania zbyt wysokich temperatur. Oznacza to, że osoby odpowiedzialne za zarządzanie oraz inżynierowie muszą dbać o zmniejszenie ilości ciepła emitowanego przez napędy VFD. Temperatura otoczenia w pomieszczeniu powinna być na tyle niska, aby nie uszkodzić sprzętu, a także nie wpływać negatywnie na zdrowie techników, którzy prowadzą czynności serwisowe w takim w pomieszczeniu.
Zastosowanie wymienników ciepła powietrze-woda wpływa na obniżenie temperatury w pomieszczeniu poprzez chłodzenie urządzenia typu VFD i obniżenie temperatury powietrza wyrzucanego z urządzenia. Źródło: archiwum CFE Media archives/McGuire Engineering
Większość osprzętu elektrycznego zaprojektowana jest do pracy w temperaturze do 40°C. Dla operatorów jest to jednak zbyt wysoka temperatura, by pracować w niej bez przerwy. Również automatyka i sprzęt komputerowy, znajdujące się w tym samym pomieszczeniu, mogą nie być przystosowane do pracy w takiej temperaturze.
Sposoby na zmniejszenie obciążenia cieplnego
Istnieje kilka metod rozwiązywania problemu nadmiernego wydzielania ciepła przez układy elektroniczne w zamkniętej przestrzeni. Są to m.in.:
→ klimatyzacja konwencjonalna,
→ usunięcie najważniejszych źródeł ciepła (np. transformatorów),
→ stosowanie wymienników ciepła.
Wszystkie te sposoby są stosowane w zależności od kilku zmiennych, takich jak lokalizacja zakładu, warunki środowiskowe, budowa napędów VFD, rodzaj sprzętu, wymagana niezawodność oraz dostępne miejsce. Zastosowanie klimatyzacji konwencjonalnej jest najczęściej stosowaną metodą.
Niestety, napędy typu VFD o wysokiej mocy i średnim napięciu zasilania generują spore ilości ciepła w pomieszczeniu, w którym są zainstalowane, co wymaga zastosowania dużych jednostek klimatyzacyjnych. Na przykład napęd VFD o mocy 6000 KM może potrzebować urządzenia HVAC o wartości nawet ponad 200 tys. dolarów, a także generować dodatkowe koszty zawiązane z jego działaniem. Kolejną wadą takiego rozwiązania jest niski poziom niezawodności.
Niektóre konstrukcje napędów VFD pozwalają na niezależną instalację wybranych modułów, w tym największych źródeł ciepła jak np. transformatory. Jednak w ten sposób usunąć można jedynie 50% obciążenia cieplnego i wymaga to dodatkowej pracy, by ulokować transformator w osobnym miejscu. Wpływa to również na wzrost kosztów związanych z zakupem przewodów łączących transformator z odpowiednią sekcją w napędzie VFD.
Mimo że stosowanie wymienników ciepła powietrze-woda to relatywnie nowe rozwiązanie, stosuje się je z powodzeniem, ponieważ dzięki stworzeniu zamkniętej pętli systemu powietrznego dla napędu VFD i drugiego obiegu, który odprowadzany jest na zewnątrz do otoczenia, możliwa jest eliminacja potrzeby stosowania klimatyzacji. Systemy te są dostępne od kilku lat. Ich stosowanie może zapewnić szybki, bo w ciągu 2–3 lat, zwrot z inwestycji. Ma to znaczenie szczególnie w porównaniu z rocznymi kosztami uruchomienia i obsługi podobnego systemu wykorzystującego klimatyzator.
Wymienniki ciepła powietrze-woda
Rozwiązaniem problemu podwyższonej temperatury w pomieszczeniach jest np. montaż wymienników powietrze-woda zamiast wymienników powietrze-powietrze. Taki wymiennik jest wbudowany w urządzenie VFD, zajmuje mniej miejsca, jest tańszy, a koszty operacyjne są niższe. Urządzenie to może również zapewnić lepszy poziom chłodzenia, gdy VFD pracuje przy mniejszym obciążeniu i z mniejszą niż nominalna prędkością.
To rozwiązanie można stosować tam, gdzie dostępna jest woda pochodząca z innego procesu. Woda przepływa przez wymiennik ciepła w urządzeniu VFD i odbiera z niego generowane ciepło.
Zastosowanie wymienników ciepła powietrze-woda wpływa na obniżenie temperatury w pomieszczeniu poprzez chłodzenie urządzenia typu VFD i obniżenie temperatury powietrza wyrzucanego z urządzenia, które normalnie kierowane jest do pomieszczenia i chłodzone przez klimatyzację. W tym przypadku przepływa ono przez wymiennik, gdzie następuje wymiana ciepła z przepływającą wodą, a schłodzone powietrze trafia z powrotem do pomieszczenia. Jest to zamknięty obieg przepływu powietrza, który umożliwia kontrolę temperatury w pomieszczeniu. Takie rozwiązanie pozwala również na izolację urządzenia VFD i innego sprzętu od potencjalnie niebezpiecznych lub chemicznie agresywnych zanieczyszczeń, eliminuje potrzebę stosowania klimatyzatorów oraz zmniejsza temperaturę powietrza w pomieszczeniu i urządzeń, w przypadku gdy napęd VFD pracuje przy obciążeniu częściowym i zredukowanej prędkości obrotowej.
Takie rozwiązanie jest możliwe tylko wtedy, gdy istnieje dostęp do wody z innego procesu. W tym wypadku schłodzona woda przy odpowiedniej temperaturze może jeszcze bardziej usprawnić operacje i wyeliminować wszystkie urządzenia typu HVAC. Rozmiar wymiennika ciepła jest dobrany w taki sposób, by móc odbierać ciepło od urządzenia VFD, gdy pracuje ono na pełnej mocy. Konstrukcja takich układów pozwala na dostarczanie wody o temperaturze do 35°C przy przepływie równym 57–114 l/min. Powietrze wyrzucane przez napędy VFD będzie przypuszczalnie o ok. 22°C cieplejsze niż temperatura wody na wejściu do wymiennika. Schłodzona woda o temperaturze poniżej 25°C spowoduje obniżenie temperatury wyrzucanego powietrza i tym samym obniży temperaturę otoczenia w pomieszczeniu, w którym znajduje się sprzęt.
Powrót do podstaw: Napędy VFD
Napędy o zmiennej częstotliwości sterują prędkością silników prądu zmiennego, zapewniając ich uniwersalność i dopasowanie do aplikacji dzięki łatwej zmianie prędkości obrotowej wału silnika. Napędy VFD pracują przy zmiennej częstotliwości i zmiennych wartościach napięcia dostarczanego do obsługiwanego silnika. Pozwala to kontrolować moment obrotowy i prędkość obrotową wału takiego silnika. Napędy VFD mogą przynieść korzyści finansowe użytkownikowi przez usprawnienie procesu, dzięki czemu nastąpi szybki zwrot z inwestycji. Jednak stosowanie wielu napędów VFD wiąże się z koniecznością zapewnienia im odpowiednich warunków pracy, w tym termicznych.
Podsumowanie
Nowe, dostępne już rozwiązania mają na celu obniżenie kosztów generowanych przez urządzenia HVAC. Można dostosować je do określonej lokalizacji fabryki i warunków środowiskowych. Nowe rozwiązania techniczne mogą wyeliminować kosztowne urządzenia HVAC i poprawić sytuację finansową fabryki ze względu na obniżenie kosztów energii, lepszą niezawodność i wyższą efektywność.
Mark Harshman pracuje na stanowisku Power Electronics Engineering Leader w firmie Siemens.
