VFD を過熱から保護する

可変周波数ドライブは、文字通り過熱する可能性があるというだけでなく、ホットな話題でもあります。

VFD 技術の進歩と価格の低下により、市場での採用が急速に進んでいます。

ただし、温度が上昇すると性能が低下し、動作の信頼性が損なわれ、耐用年数が短くなります。

ファンや熱交換器によるパッシブ空冷、エアコンや水冷によるアクティブ冷却など、さまざまな冷却方法が効果的であることが証明されています。

残念ながら、冷却負荷の決定は少しわかりにくい場合があります。 測定システムの不一致により、計算は不必要に複雑になります。 — インペリアル単位 (HP、BTU、CFM) とメートル単位 (ワット) が混在し、変換時に変換が失われます。

したがって、Pfannenberg では、VFD 冷却ソリューションの選択とサイジングのための簡単な経験則ガイドを開発しました。

保護筐体

VFD 冷却の基本的な課題は、通常、VFD を周囲の環境から保護するためにエンクロージャ内に配置する必要があり、逆説的に言えば、これらのエンクロージャが熱を閉じ込めるため、過熱からの保護が必要であるという事実から生じます。

基本的な NEMA 12 タイプのエンクロージャは、多くの場合、沈降する粉塵、水滴、非腐食性液体の結露などの一般的な危険から保護するように指定されています。 光ファイバーなどの新しい VFD の高度なテクノロジーにより、より強化されたレベルの保護を備えたエンクロージャがますます必要になります。

また、VFD テクノロジーが広範囲に採用されているため、多くのアプリケーションでは、耐候性と耐衝撃性の屋外エンクロージャから、ホースダウン洗浄に耐える必要がある食品生産施設用の密閉ステンレス鋼エンクロージャに至るまで、厳しい環境向けに特別に設計されたエンクロージャが必要です。 エンクロージャの密閉性が高まると、受動的放散が減少するため、自然により多くの熱がこもり始め、冷却の大きな課題が生じます。

筐体のサイズも非常に重要です。 一般的なエンクロージャの寸法は、より狭いスペースに適合し、エンクロージャのコストを節約するために、近年大幅に縮小されています。 大きな箱 (部屋と同じ大きさの空間を想像してください) では、床部分と天井部分の温度差により、自然対流と呼ばれるわずかな空気の流れが発生します。 空間が小さくなると、この冷却効果の恩恵を受けることができるオブジェクトが少なくなります。 適切な空気の流れがないと、VFD の表面および内部に「ホット スポット」として知られる現象が発生し、敏感な電子機器に大損害を与える可能性が高くなります。

VFD とそのエンクロージャのフォーム ファクターが小さいことは、別の意味で過熱の原因となります。ボックスが小さいということは、熱を周囲の空気に伝えるために利用できる外側の表面積が小さくなることを意味します。 これらすべての要因により、効果的で信頼性の高い冷却ソリューションが必要になります。

大局

しかし、まず最初に、枠から離れて全体像を考えてみましょう。 VFD のエネルギー効率は個々の企業にとって良いだけでなく、気候変動に対処するための鍵でもあります。

世界中で、全電気エネルギーの約 4 分の 1 が産業用途のモーターに供給するために使用されています。

現在、VFD によって制御されている AC モーターはわずか約 3 パーセントですが、毎年設置される新しいモーターの約 30 ～ 40 パーセントには VFD が搭載されています。 Research Dive の 2021 年のレポートによると、世界の可変周波数ドライブ市場は毎年 5% 近く成長し、2027 年には 250 億ドルに達すると推定されています。

エネルギーの節約は劇的です。 VFD は、電気モーターが最高速度未満で動作できるようにすることで、エネルギー消費を削減します。 基本的な AC 誘導モーターは一定速度で動作するように設計されていますが、実際の使用では速度要件は変動し、通常、全速度が使用されるのは時間の約 10% のみです。 本質的に非効率であることは明らかであり、タコメーターがエンジンを常に最大速度で示している状態で車のエンジンを稼働させることに似ています。

エネルギーの節約は、親和性の法則を使用して計算できます。消費される電力は回転速度の 3 乗に比例します。 したがって、ポンプまたはファンの速度を 75% に下げるとエネルギー消費が 60% 近く削減され、50% の速度にするとほぼ 90% 節約されます。

これらの効率向上から、VFD からの熱損失による比較的最小限の約 3% のエネルギー浪費を差し引く必要があります。 VFD からのこの熱損失を定量化することが重要なのは、技術利用による全体的な効率の向上に比べて最小限である経済的影響ではなく、むしろ筐体内に熱が閉じ込められた場合に過熱が VFD 電子機器にもたらす危険性を考慮するためです。許容温度限界を超えても構いません。

パッシブとアクティブ

冷却には 2 つの異なるタイプがあり、1 つ目は受動的冷却で、2 つ目は能動的冷却です。どちらのタイプも熱力学の第 2 法則を利用しています。これは、簡単に言えば、エネルギーが高位の源から低位の源に流れるということです。

パッシブ冷却は、高温の熱源から低温の熱源へ熱が伝わる自然な熱伝達経路を利用します。 この良い例はフィルターファンです。フィルターファンは、より冷たい周囲の空気を筐体内に移動させ、筐体を通過させます。そこで、その空気は排気され、熱が環境に放散されるまで熱を吸収します。

アクティブ冷却では、熱が伝わる経路を作成するためにシステムにエネルギー源を投入する必要があります。 これは通常、蒸気圧縮サイクルを使用して行われます。蒸気圧縮サイクルには、コンプレッサー、凝縮器、絞り装置、蒸発器の 4 つの主要な部分があります。

いつパッシブを使用し、いつアクティブを使用するかを決定するのは非常に簡単です。 周囲温度が目標エンクロージャ温度より低い場合、または受動的冷却水源がある場合は、エネルギー節約のために望ましい受動的冷却ユニットを使用できます。

パッシブ冷却は、熱伝達の経路を確保するためにシステムにエネルギーを投入する必要がないため、アクティブ冷却よりも使用するエネルギーが大幅に少なくなります。 周囲温度が目標エンクロージャ温度より高い場合、または受動的に冷却される水源がない場合は、アクティブユニットを使用する必要があります。

冷却の計算

ここでは、アクティブ冷却方式とパッシブ冷却方式の両方の冷却要件を計算する簡単な方法を示します。

アクティブ冷却の経験則

通常、VFD のサイズは馬力 (HP) で表され、冷却システムは英国熱単位 (BTU、または BTU 時間の場合は BTU/h) で測定されます。 しかし、HP から BTU/h に変換するにはどうすればよいでしょうか?

空調と水冷の経験則は次のとおりです。

1 HP ごとに 75 BTU/h が必要です

言い換えれば、100 HP VFD ドライブの場合、7500 BTU/h の冷却が必要です。

この経験則は次のように導出されます。

パッシブ冷却の経験則

Pfannenberg Datawind Filterfan などのパッシブ冷却ソリューションの場合、経験則は次のとおりです。

エンクロージャ内の周囲温度より 10°C 高い温度を維持するには、1 馬力ごとに 4 CFM が必要です

つまり、100 HP のドライブには 100 CFM が必要です。

この経験則は次の方程式から導出されます。

1 CFM = 1.82 x 熱損失のワット / Δ 温度 (°C)

これらの経験則ガイドは、冷却方法の選択と冷却負荷要件のサイジングに関する一般的なガイドを提供します。 周囲の温度と湿度、その他の重要な考慮事項を考慮したより正確な計算のために、Pfannenberg サイジング ソフトウェアを無料で利用できます。

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