Se hai mai installato un convertitore di frequenza VFD in una regione montuosa, lavorato su un nastro trasportatore in un sito minerario ad alta quota o mantenuto un sistema HVAC in una città nascosta nelle Ande, probabilmente ti sei imbattuto nello stesso problema: quel VFD che hai installato al livello del mare si surriscalda, scatta prematuramente o si spegne completamente quando la temperatura scende leggermente ma l'altitudine supera i 1.000 metri. In qualità di fornitore di VFD che ha dedicato 12 anni alla risoluzione dei problemi dei sistemi in oltre 30 paesi, posso dirti che questo non è un problema di "unità difettosa": è un problema di declassamento ad alta quota ed è uno degli errori più comuni e più incompresi che i nuovi installatori (e anche alcuni ingegneri esperti) commettono quando lavorano con azionamenti a frequenza variabile.
Cominciamo con le nozioni di base che la maggior parte delle guide VFD salta, perché capire perché l'altitudine influisce sul tuo VFD pone le basi per ottenere il declassamento corretto. I VFD sono costruiti con componenti semiconduttori (IGBT, diodi, condensatori) che fanno affidamento sull'aria ambiente per eliminare il calore di scarto generato durante il funzionamento. A livello del mare, l'aria è densa, ricca di ossigeno e minuscole molecole d'aria che spostano il calore in modo efficiente, quindi la ventola di raffreddamento e i dissipatori di calore interni di un VFD funzionano come previsto. Quando si sale sopra i 1.000 metri (3.280 piedi), la densità dell'aria diminuisce di circa l'1% per ogni 100 metri di dislivello. Quando raggiungi i 2.500 metri (8.200 piedi), l'aria è densa al 75% rispetto al livello del mare, e quel calo di densità è esattamente il motivo per cui il tuo VFD non può dissipare il calore come dovrebbe. Aria meno densa significa meno molecole che trasportano il calore lontano dai componenti interni del VFD, quindi quelle parti diventano più calde della loro temperatura nominale, anche se l'aria circostante sembra fresca.
È qui che entra in gioco il declassamento: è il processo di riduzione della potenza erogata dal VFD per soddisfare la ridotta capacità di dissipazione del calore in alta quota. L'alternativa è lasciare che il VFD si spenga o si guasti prematuramente, il che è più costoso in termini di soli tempi di inattività che affrontare in anticipo il declassamento. Ma il declassamento non è un numero valido per tutti: ci sono variabili che cambiano la quantità di declassamento necessaria e tralasciare questi dettagli è dove ho visto anche i migliori team di ingegneri andare storto.
Innanzitutto parliamo delle linee guida ufficiali, perché sono un buon punto di partenza, ma non sono la fine della storia. La maggior parte dei produttori di VFD (compresi quelli con cui collaboriamo) specificano che per ogni 100 metri sopra i 1.000 metri, è necessario ridurre la potenza del VFD di circa l'1%, ma questa è una regola generale, non una linea dura. Esistono eccezioni alla regola dell'1% ogni 100 m e tali eccezioni si riducono a due grandi fattori: il metodo di raffreddamento del VFD e la temperatura ambiente del sito. Aspetta, giusto: il metodo di raffreddamento è enorme. Un VFD che utilizza un raffreddamento interno basato su convezione (comune nei modelli più piccoli con montaggio a pannello) si declasserà molto più velocemente di un VFD con un sistema di raffreddamento ad aria forzata separato progettato per ambienti difficili. Ad esempio, la nostra linea di convertitori di frequenza monofase, realizzata per applicazioni industriali leggere e spesso utilizzata in pannelli compatti, ha una curva di declassamento più ripida rispetto ai nostri grandi convertitori di frequenza trifase realizzati per l'industria mineraria e la produzione pesante. Lo abbiamo testato su un progetto a La Paz, in Bolivia, che si trova a 3.640 metri sul livello del mare: un'unità monofase da 5 CV da noi fornita necessitava di un declassamento di potenza del 35%, mentre un convertitore di frequenza trifase di identica potenza da 5 CV alla stessa altitudine necessitava solo di un declassamento del 22%. La differenza? Il modello trifase ha una ventola di raffreddamento esterna che aspira l'aria più densa (beh, meno densa del livello del mare, ma più densa dell'aria all'interno di un pannello chiuso) direttamente sopra i dissipatori di calore, quindi è meno influenzata dall'altitudine.
Poi c'è la temperatura ambiente, che quasi nessuno collega al declassamento del VFD in alta quota. Se il tuo sito è a 2.000 metri ma la temperatura ambiente media è di 15°C (59°F), potrebbe essere necessario solo un declassamento del 10%. Ma se lo stesso sito di 2.000 metri ha una temperatura ambiente di 35°C (95°F), comune nelle regioni desertiche ad alta quota come parti delle Montagne Rocciose del Colorado o di Atacama, è necessario aumentare tale declassamento di un altro 5% o più. Questo perché l'altitudine elevata riduce già la dissipazione del calore e temperature ambiente più elevate aggiungono ulteriore calore che il VFD deve aggirare, anche a quote più basse. Non so dirti quante volte abbiamo ricevuto una chiamata in preda al panico da un cliente il cui VFD scattava per un guasto di "surriscaldamento" a 2.200 metri, solo per rendersi conto che avevano installato l'unità in un ripostiglio caldo e non ventilato senza raffreddamento aggiuntivo, invece di posizionarla vicino a un'area aperta e ombreggiata dove il flusso d'aria è migliore.
Un altro errore comune: dimenticare che il declassamento non riguarda solo la potenza continua. La maggior parte degli installatori sa che è necessario declassare la potenza nominale del VFD per il funzionamento continuo, ma trascura i picchi di carico. Ad esempio, se si utilizza un VFD da 10 hp per azionare un trasportatore che occasionalmente necessita di un picco di 12 hp per avviare un nastro carico, anche tale capacità di picco deve essere ridotta in alta quota. Recentemente abbiamo accompagnato un cliente del settore alimentare a Cusco, in Perù, dopo che il suo VFD da 10 CV continuava a scattare durante le avviazioni. Avevano seguito la regola dell'1% per 100 metri per la potenza continua (erano a 3.400 metri, quindi un declassamento del 25%, fino a 7,5 CV continui) ma non avevano declassato il carico iniziale di picco, che era ancora impostato su 12 CV, molto più di quanto il VFD potesse gestire a quell'altitudine. Regolando il limite di corrente di picco sul VFD per adattarlo alla potenza continua ridotta, hanno eliminato gli interventi senza sacrificare la velocità della linea necessaria per la produzione.
Ora entriamo nel processo passo dopo passo che funziona per i nostri clienti, perché lo abbiamo perfezionato su centinaia di installazioni in siti ad alta quota. Innanzitutto, inizia con l'altitudine esatta del tuo sito, non con l'altitudine generale della regione. Non dare per scontato che "le montagne significhino 2.500 metri": utilizza un GPS o una mappa topografica per ottenere l'elevazione precisa dove verrà installato il tuo VFD. In secondo luogo, prendi nota delle temperature ambientali medie e massime del tuo sito: ciò potrebbe significare controllare i dati meteorologici per la stazione di monitoraggio più vicina o persino installare un piccolo sensore vicino alla posizione del VFD se si tratta di un sito remoto. Terzo, scegli il modello VFD giusto per il tuo intervallo di altitudine. Se lavori a un'altitudine superiore a 2.000 metri, evita le piccole unità raffreddate a convezione a meno che non sia possibile aggiungere un raffreddamento esterno e opta per modelli come le nostre linee di trasmissione di frequenza trifase costruite con raffreddamento migliorato per elevazioni variabili. Per i siti al di sopra dei 3.000 metri, spesso consigliamo di dimensionare il VFD di un fotogramma più grande di quanto faresti al livello del mare, poiché agisce come un buffer di declassamento integrato che elimina la maggior parte delle regolazioni in loco.
Aspetta, torniamo al suggerimento sulle taglie, perché è quello che sottolineiamo più della regola della percentuale. Molti clienti ci chiedono: "Se devo ridurre la potenza del 25% a 3.000 metri, perché non acquistare semplicemente un VFD più grande del 25%?" Questo è esattamente ciò che fa il dimensionamento e funziona perché il VFD funzionerà a una percentuale inferiore della sua capacità nominale, il che significa che genera meno calore disperso all'inizio. Lo abbiamo testato con un VFD da 10 hp: se lo si dimensiona a 12,5 hp per un sito di 3.000 metri, l'unità funziona solo all'80% della sua capacità nominale, quindi il calore che produce è sufficientemente basso da impedire il surriscaldamento della riduzione della dissipazione dell'aria correlata all'altitudine. Si tratta di una soluzione più semplice rispetto al calcolo delle percentuali di declassamento e alla regolazione delle impostazioni, soprattutto per i clienti che non desiderano modificare la programmazione VFD in loco.
Ci sono anche due grandi miti sul declassamento del VFD in alta quota che passiamo molto tempo a sfatare. Il primo: “L’altitudine influisce solo sui VFD esterni”. No, riguarda tutti i VFD, anche quelli installati all'interno dei pannelli di controllo. Il pannello di controllo è uno spazio piccolo e sigillato in cui la densità dell'aria diminuisce tanto quanto all'esterno: se non altro, lo spazio ristretto peggiora la dissipazione del calore perché non c'è un grande volume d'aria da spostare. Il secondo mito: “Una tensione più elevata può correggere il declassamento”. Aumentare la tensione di ingresso al VFD non compensa la ridotta dissipazione del calore: in realtà fa sì che gli IGBT generino più calore, poiché una tensione più elevata significa un assorbimento di corrente maggiore per lo stesso carico. Si tratta di un percorso rapido verso il guasto prematuro dei componenti, non di una soluzione.
Usiamo un esempio reale per renderlo concreto, perché i numeri aiutano. Un cliente a Quito, in Ecuador, (2.800 metri sul livello del mare, temperatura ambiente media 18°C) aveva un convertitore di frequenza monofase da 5 HP che alimentava una linea di confezionamento. A livello del mare, questa unità ha funzionato perfettamente, ma a Quito si è surriscaldata entro un'ora di funzionamento. Il nostro team ha esaminato il sito: il pannello di controllo si trovava in una stanza chiusa senza ventilazione, la temperatura media all'interno del pannello era di 28°C e l'unità funzionava alla massima capacità di 5 CV. Ecco cosa abbiamo fatto: innanzitutto, abbiamo calcolato il declassamento richiesto: 1% per 100 m sopra i 1.000 m = declassamento del 18%, più un 5% extra per l'aumento della temperatura del pannello di 10°C (28°C ambiente interno contro 18°C ambiente del sito) = declassamento totale del 23%. Ciò significava che la massima potenza continua sicura dell'unità era di circa 3,85 CV. Ma poiché la linea di confezionamento necessitava occasionalmente di un picco di 6 hp per brevi periodi, abbiamo consigliato due modifiche: in primo luogo, sostituire l'unità monofase esistente da 5 hp con un modello da 7,5 hp (dimensionamento, che fornisce un buffer integrato), e in secondo luogo, installare una piccola ventola di scarico a pannello per migliorare il flusso d'aria, riducendo così il declassamento richiesto di un altro 7%. Abbiamo inoltre regolato il limite di corrente di picco del VFD per adattarlo alle esigenze effettive della linea e non alla capacità nominale completa dell'unità. Il risultato? Niente più viaggi per surriscaldamento e la linea di confezionamento funziona alla velocità esatta di cui hanno bisogno, senza tempi di inattività da oltre tre anni.
Un altro punto importante: quando si declassa un VFD, è necessario controllare sempre la documentazione specifica del produttore per quel modello, poiché componenti diversi hanno limiti di altitudine diversi. Ad esempio, i condensatori elettrolitici all'interno dei VFD possono avere una durata di vita ridotta in alta quota se non declassati correttamente, poiché l'aria rarefatta consente più archi elettrici all'interno dell'involucro del condensatore quando utilizzato a pieno carico. Ecco perché il nostro team di ingegneri regola la tensione di uscita e i limiti di corrente del VFD quando forniamo unità per siti ad alta quota, per evitare che si verifichi l'arco senza che il cliente debba svolgere alcun lavoro aggiuntivo.
Se stai cercando VFD per un'applicazione ad alta quota, non fare affidamento su calcolatori online generici che non tengono conto del raffreddamento o della temperatura ambiente. Sul nostro sito è disponibile uno strumento personalizzato che ti consente di inserire l'elevazione, la temperatura ambiente, il tipo di carico (continuo o di picco) e il metodo di raffreddamento, oltre a fornire consigli precisi sul declassamento e suggerimenti sul modello. Abbiamo utilizzato questo strumento per siti che vanno da 1.200 metri a oltre 4.000 metri e ha ridotto dell'85% i tassi di guasto del VFD dei nostri clienti ad alta quota negli ultimi cinque anni.
In fin dei conti, il declassamento del VFD ad alta quota non consiste nel seguire una rigida regola percentuale: si tratta di capire come interagiscono la densità dell'aria, il calore e i limiti dei componenti e di scegliere il VFD e le impostazioni giusti per il tuo sito specifico. Saltare questo passaggio comporta costosi tempi di inattività, apparecchiature rotte e team frustrati, mentre prendersi il tempo necessario per calcolare in anticipo il declassamento significa un funzionamento affidabile, indipendentemente da quanto si è in alto.
Se stai lavorando a un progetto ad alta quota e hai bisogno di aiuto per scegliere il VFD giusto, calcolare il declassamento o risolvere i problemi di un'unità esistente, siamo qui per aiutarti. Contattaci per una consulenza e ci assicureremo che il tuo VFD funzioni come dovrebbe, anche negli angoli più alti del mondo.
Riferimenti
- Armonico, G. (2022). Considerazioni sulle prestazioni ad alta quota per l'elettronica di potenza industriale. Giornale di conversione di potenza e movimento intelligente, 48(3), 24-31.
- Allen-Bradley. (nd). Specifiche tecniche VFD del convertitore di frequenza per applicazioni ad elevazione variabile. Estratto da /vettore-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/frequency-converter-vfd.html
- Istituto di ingegneri elettrici ed elettronici (IEEE). (2019). Considerazioni ambientali per gli azionamenti a frequenza variabile ad alta quota. Transazioni IEEE sulle applicazioni industriali, 55(6), 6210-6217.
- Allen-Bradley. (nd). Linee guida per il declassamento del convertitore di frequenza monofase in base alla temperatura ambiente e all'altitudine. Estratto da /convertitore-di-frequenza-vettoriale/convertitore-di-frequenza-ad-alte-prestazioni/convertitore-di-frequenza-monofase.html
- Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). (2020). Standard per prestazioni di azionamento a frequenza variabile ad altitudini diverse dal livello del mare. IEC 61800-5-1:2020.
- Allen-Bradley. (nd). Modelli VFD da 10 hp e convertitore di frequenza trifase progettati per applicazioni industriali ad alta quota. Estratto da /convertitore-di-frequenza-vettoriale/convertitore-di-frequenza-ad-alte-prestazioni/10-hp-vfd.html e /convertitore-di-frequenza-vettoriale/convertitore-di-frequenza-ad-alte-prestazioni/azionamento-di-frequenza-trifase.html