إذا سبق لك أن قمت بتركيب محول تردد VFD في منطقة جبلية، أو عملت على حزام ناقل في موقع تعدين على ارتفاعات عالية، أو قمت بصيانة نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) في مدينة تقع في جبال الأنديز، فمن المحتمل أنك واجهت نفس المشكلة: أن VFD الذي قمت بتركيبه عند مستوى سطح البحر يسخن بشكل زائد، أو يتعثر قبل الأوان، أو ينقطع تمامًا عندما تنخفض درجة الحرارة قليلاً ولكن الارتفاع يرتفع أكثر من 1000 متر. باعتباري أحد موردي VFD الذي قضى 12 عامًا في استكشاف أخطاء الأنظمة وإصلاحها في أكثر من 30 دولة، يمكنني أن أخبرك أن هذه ليست مشكلة "وحدة سيئة" - إنها مشكلة خفض القدرة على الارتفاعات العالية، وهي واحدة من الأخطاء الأكثر شيوعًا والأكثر سوء فهم التي يرتكبها المثبتون الجدد (وحتى بعض المهندسين المتمرسين) عند العمل مع محركات الأقراص ذات التردد المتغير.
لنبدأ بالأساسيات التي تتخطاها معظم أدلة VFD، لأن فهم سبب تأثير الارتفاع على VFD الخاص بك يضع الأساس للحصول على الانحراف الصحيح. يتم تصنيع VFDs باستخدام مكونات أشباه الموصلات - IGBTs، والثنائيات، والمكثفات - التي تعتمد على الهواء المحيط لنقل الحرارة المهدرة المتولدة أثناء التشغيل. عند مستوى سطح البحر، يكون الهواء كثيفًا ومليئًا بالأكسجين وجزيئات الهواء الصغيرة التي تحرك الحرارة بكفاءة، لذلك تعمل مروحة التبريد VFD ومصارف الحرارة الداخلية كما تم تصميمها. عندما تتسلق فوق 1000 متر (3280 قدم)، تنخفض كثافة الهواء بنسبة 1% تقريبًا لكل 100 متر من الارتفاع. بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى ارتفاع 2500 متر (8200 قدم)، تكون كثافة الهواء 75% مثل مستوى سطح البحر، وهذا الانخفاض في الكثافة هو بالضبط السبب وراء عدم قدرة جهاز VFD على تبديد الحرارة بالطريقة المقصودة. الهواء الأقل كثافة يعني عددًا أقل من الجزيئات التي تحمل الحرارة بعيدًا عن المكونات الداخلية لـ VFD، وبالتالي فإن هذه الأجزاء تكون أكثر سخونة من درجة حرارتها المقدرة، حتى لو كان الهواء المحيط باردًا.
وهنا يأتي دور خفض القدرة: إنها عملية تقليل خرج طاقة VFD لتتناسب مع قدرة تبديد الحرارة المنخفضة على ارتفاعات عالية. البديل هو ترك VFD يغلق أو يفشل قبل الأوان، وهو أمر أكثر تكلفة في فترة التوقف وحدها من معالجة التدهور مقدمًا. لكن خفض السرعة ليس رقمًا واحدًا يناسب الجميع، فهناك متغيرات تغير مقدار ما تحتاج إلى خفضه، وتخطي هذه التفاصيل هو المكان الذي رأيت فيه حتى أفضل فرق الهندسة تخطئ.
أولاً، دعونا نتحدث عن الإرشادات الرسمية، لأنها نقطة بداية جيدة، ولكنها ليست نهاية القصة. تحدد معظم الشركات المصنعة لـ VFD (بما في ذلك الشركات التي نتعاون معها) أنه لكل 100 متر فوق 1000 متر، تحتاج إلى خفض طاقة VFD بنسبة 1% تقريبًا — لكن هذه قاعدة عامة، وليست قاعدة متشددة. هناك استثناءات لقاعدة 1% لكل 100 متر، وترجع هذه الاستثناءات إلى عاملين كبيرين: طريقة تبريد VFD ودرجة الحرارة المحيطة في موقعك. انتظر، صحيح، طريقة التبريد ضخمة. إن VFD الذي يستخدم التبريد الداخلي القائم على الحمل الحراري (الشائع في النماذج الأصغر حجمًا المثبتة على اللوحة) سوف يتراجع بشكل أسرع بكثير من VFD مع نظام تبريد الهواء القسري المنفصل المصمم للبيئات القاسية. على سبيل المثال، يتميز خط محول التردد أحادي الطور الخاص بنا، والذي تم تصميمه للتطبيقات الصناعية الخفيفة وغالبًا ما يستخدم في اللوحات المدمجة، بمنحنى انحراف أكثر انحدارًا من محركات التردد المتغيرة ثلاثية الطور الكبيرة الخاصة بنا والتي تم تصميمها للتعدين والتصنيع الثقيل. لقد اختبرنا ذلك في مشروع في لاباز، بوليفيا، والذي يقع على ارتفاع 3,640 مترًا فوق مستوى سطح البحر: احتاجت وحدة أحادية الطور بقدرة 5 حصان قمنا بتزويدها إلى خفض قدرة الطاقة بنسبة 35%، في حين أن محرك تردد متغير ثلاثي الطور بقدرة 5 حصان مماثل على نفس الارتفاع يحتاج فقط إلى خفض قدرة بنسبة 22%. الفرق؟ يحتوي النموذج ثلاثي الطور على مروحة تبريد خارجية تسحب الهواء الأكثر كثافة (حسنًا، أقل كثافة من مستوى سطح البحر، ولكنه أكثر كثافة من الهواء داخل لوحة مغلقة) مباشرة فوق المشتتات الحرارية، لذلك فهو أقل تأثرًا بالارتفاع.
ثم هناك درجة الحرارة المحيطة، والتي لا يربطها أحد تقريبًا بتراجع تدفق الهواء على ارتفاعات عالية. إذا كان موقعك على ارتفاع 2000 متر ولكن متوسط درجة الحرارة المحيطة هو 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت)، فقد تحتاج فقط إلى تخفيض قدره 10%. ولكن إذا كان نفس الموقع الذي يبلغ ارتفاعه 2000 متر يتمتع بدرجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) - وهو أمر شائع في المناطق الصحراوية المرتفعة مثل أجزاء من كولورادو روكيز أو أتاكاما - فأنت بحاجة إلى زيادة هذا الانخفاض بنسبة 5٪ أخرى أو أكثر. وذلك لأن الارتفاعات العالية تقلل بالفعل من تبديد الحرارة، وتضيف درجات الحرارة المحيطة المرتفعة حرارة إضافية يجب على VFD أن يعمل بها، حتى على الارتفاعات المنخفضة. لا أستطيع أن أخبرك كم مرة تلقينا مكالمة مذعورة من عميل يتعثر VFD لديه بسبب خطأ "ارتفاع درجة الحرارة" على ارتفاع 2200 متر، فقط لإدراك أنهم قاموا بتركيب الوحدة في خزانة مرافق ساخنة وغير جيدة التهوية بدون تبريد إضافي، بدلاً من وضعها بالقرب من منطقة مفتوحة ومظللة حيث يكون تدفق الهواء أفضل.
خطأ شائع آخر: نسيان أن التخفيض يؤثر على أكثر من مجرد القوة المستمرة. يعلم معظم القائمين على التركيب أنه يجب عليهم خفض القدرة الحصانية المقدرة لـ VFD من أجل التشغيل المستمر، لكنهم يتجاهلون الأحمال القصوى. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم محرك VFD بقدرة 10 حصان لقيادة ناقل يحتاج أحيانًا إلى ذروة تبلغ 12 حصان لبدء سير محمّل، فإن هذه السعة القصوى تحتاج أيضًا إلى تخفيضها على ارتفاعات عالية. لقد قمنا مؤخرًا بإرشاد أحد عملاء تجهيز الأغذية في كوسكو، بيرو، خلال هذا الأمر بعد أن استمر محرك VFD بقوة 10 حصان في التعثر أثناء بدء التشغيل. لقد اتبعوا قاعدة 1% لكل 100 متر للطاقة المستمرة (كانوا على ارتفاع 3400 متر، وبالتالي انخفض التخفيض بنسبة 25%، وصولاً إلى 7.5 حصان متواصل) لكنهم لم يقللوا من ذروة حمل البداية، والذي كان لا يزال مضبوطًا على 12 حصانًا - وهو ما يزيد بكثير عما يستطيع محرك VFD التعامل معه على هذا الارتفاع. ومن خلال ضبط حد ذروة التيار على VFD ليتناسب مع الطاقة المستمرة المخفضة، فقد تخلصوا من التعثر دون التضحية بسرعة الخط التي يحتاجونها للإنتاج.
الآن، دعنا ننتقل إلى العملية خطوة بخطوة التي تناسب عملائنا، لأننا قمنا بتحسين ذلك عبر مئات التركيبات عبر المواقع على ارتفاعات عالية. أولاً، ابدأ بالارتفاع الدقيق لموقعك، وليس الارتفاع العام للمنطقة. لا تفترض أن "الجبال تعني 2500 متر" - استخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو خريطة طبوغرافية للحصول على الارتفاع الدقيق حيث سيتم تركيب VFD الخاص بك. ثانيًا، لاحظ متوسط درجات الحرارة المحيطة والحد الأقصى لموقعك — قد يعني هذا التحقق من بيانات الطقس لأقرب محطة مراقبة، أو حتى تركيب مستشعر صغير بالقرب من موقع VFD إذا كان موقعًا بعيدًا. ثالثًا، اختر نموذج VFD المناسب لنطاق الارتفاع الخاص بك. إذا كنت تعمل على ارتفاعات أعلى من 2000 متر، فتخطى الوحدات الصغيرة المبردة بالحمل الحراري إلا إذا كان بإمكانك إضافة تبريد خارجي، واختر نماذج مثل خطوط محرك التردد ثلاثية الطور الخاصة بنا والتي تم تصميمها باستخدام تبريد محسّن للارتفاعات المتغيرة. بالنسبة للمواقع التي يزيد ارتفاعها عن 3000 متر، نوصي غالبًا بتغيير حجم إطار VFD الخاص بك بمقدار أكبر مما تفعله عند مستوى سطح البحر، والذي يعمل كمخزن مؤقت مدمج يلغي معظم التعديلات في الموقع.
انتظر، دعنا نعود إلى نصيحة الحجم هذه، لأنها نصيحة نشدد عليها أكثر من قاعدة النسبة المئوية. يسألنا الكثير من العملاء: "إذا كنت بحاجة إلى خفض معدل استهلاك الوقود بنسبة 25% على مسافة 3000 متر، فلماذا لا أشتري فقط محرك VFD أكبر بنسبة 25%؟" هذا هو بالضبط ما يفعله تغيير الحجم، وهو يعمل لأن VFD سيعمل بنسبة مئوية أقل من سعته المقدرة، مما يعني أنه يولد حرارة مهدرة أقل في البداية. لقد اختبرنا ذلك باستخدام محرك VFD بقدرة 10 حصان - إذا قمت بقياسه إلى 12.5 حصان لموقع يبلغ طوله 3000 متر، فإن الوحدة تعمل فقط بنسبة 80% من سعتها المقدرة، وبالتالي فإن الحرارة التي تنتجها منخفضة بما يكفي بحيث لا يتسبب الانخفاض المرتبط بالارتفاع في تبديد الهواء في ارتفاع درجة الحرارة. وهذا حل أبسط من حساب النسب المئوية وضبط الإعدادات، خاصة للعملاء الذين لا يريدون تعديل برمجة VFD الخاصة بهم في الموقع.
هناك أيضًا خرافتان كبيرتان حول انخفاض VFD على ارتفاعات عالية والتي نقضي الكثير من الوقت في فضحها. الأول: "الارتفاع يؤثر فقط على VFDs الخارجية." لا، فهو يؤثر على جميع أجهزة VFD، حتى تلك المثبتة داخل لوحات التحكم. لوحة التحكم عبارة عن مساحة صغيرة ومغلقة حيث تنخفض كثافة الهواء بنفس القدر الذي تنخفض فيه في الخارج، وإذا حدث أي شيء، فإن المساحة المحصورة تجعل تبديد الحرارة أسوأ لأنه لا يوجد حجم كبير من الهواء يمكن تحريكه. الخرافة الثانية: "الجهد العالي يمكن أن يصلح انقطاع التيار الكهربائي". إن رفع جهد الدخل إلى VFD لا يعوض انخفاض تبديد الحرارة - فهو في الواقع يجعل IGBTs تولد المزيد من الحرارة، لأن الجهد العالي يعني سحب تيار أعلى لنفس الحمل. وهذا طريق سريع لفشل المكونات المبكر، وليس حلاً.
دعونا نستخدم مثالا حقيقيا لجعل هذا الأمر ملموسا، لأن الأرقام تساعد. كان لدى أحد العملاء في كيتو، الإكوادور، (2800 متر فوق مستوى سطح البحر، ومتوسط درجة الحرارة المحيطة 18 درجة مئوية) محول تردد أحادي الطور بقدرة 5 حصان يعمل على تشغيل خط تعبئة. عند مستوى سطح البحر، عملت هذه الوحدة بشكل مثالي، لكن في كيتو، تعثرت بسبب ارتفاع درجة الحرارة خلال ساعة من تشغيلها. عاين فريقنا الموقع: لوحة التحكم كانت في غرفة مغلقة بدون تهوية، وكان متوسط درجة الحرارة داخل اللوحة 28 درجة مئوية، وكانت الوحدة تعمل بكامل طاقتها 5 حصان. وإليك ما فعلناه: أولاً، حسبنا خفض القدرة المطلوب: 1% لكل 100 متر فوق 1000 متر = 18% خفض القدرة، بالإضافة إلى 5% إضافية لارتفاع درجة حرارة اللوحة بمقدار 10 درجات مئوية (28 درجة مئوية محيطة بالداخل مقابل 18 درجة مئوية محيطة بالموقع) = إجمالي 23% خفض القدرة. وهذا يعني أن الحد الأقصى للإنتاج المستمر الآمن للوحدة يبلغ حوالي 3.85 حصان. ولكن نظرًا لأن خط التعبئة يحتاج أحيانًا إلى ذروة 6 حصان لفترات قصيرة، فقد أوصينا بإجراء تغييرين: أولاً، استبدال الوحدة الحالية أحادية الطور بقدرة 5 حصان بنموذج 7.5 حصان (زيادة الحجم، مما يوفر مخزنًا مؤقتًا مدمجًا)، وثانيًا، تركيب مروحة عادم ذات لوحة صغيرة لتحسين تدفق الهواء، مما أدى إلى تقليل خفض القدرة المطلوبة بنسبة 7% أخرى. لقد قمنا أيضًا بتعديل الحد الأقصى لتيار VFD ليتوافق مع الاحتياجات الفعلية للخط، وليس السعة المقدرة الكاملة للوحدة. النتيجة؟ لا مزيد من الرحلات المحمومة، ويعمل خط التعبئة والتغليف بالسرعة المحددة التي يحتاجونها، مع عدم التوقف عن العمل لأكثر من ثلاث سنوات حتى الآن.
نقطة أخرى مهمة: عندما تقوم بخفض مستوى VFD، يجب عليك دائمًا التحقق من وثائق الشركة المصنعة المحددة لهذا النموذج، لأن المكونات المختلفة لها حدود ارتفاع مختلفة. على سبيل المثال، يمكن للمكثفات الإلكتروليتية الموجودة داخل VFDs أن تقلل من العمر الافتراضي على ارتفاعات عالية إذا لم يتم تخفيضها بشكل صحيح، لأن الهواء الرقيق يسمح بمزيد من الانحناء الكهربائي داخل غلاف المكثف عند تشغيله بحمولة كاملة. ولهذا السبب يقوم فريقنا الهندسي بضبط جهد خرج VFD وحدود التيار عندما نقوم بتوريد وحدات للمواقع ذات الارتفاعات العالية، لمنع حدوث هذا الانحناء دون أن يضطر العميل إلى القيام بأي عمل إضافي.
إذا كنت في السوق لشراء VFDs لتطبيق على ارتفاعات عالية، فلا تعتمد على الآلات الحاسبة العامة عبر الإنترنت التي لا تأخذ في الاعتبار التبريد أو درجة الحرارة المحيطة. لدينا أداة مخصصة على موقعنا تتيح لك إدخال الارتفاع، ودرجة الحرارة المحيطة، ونوع الحمل (المستمر مقابل الذروة)، وطريقة التبريد، وتمنحك توصية دقيقة بتخفيض التصنيف واقتراح النموذج. لقد استخدمنا هذه الأداة لمواقع تتراوح من 1200 متر إلى أكثر من 4000 متر، وقد خفضت معدلات فشل VFD لعملائنا على ارتفاعات عالية بنسبة 85% على مدى السنوات الخمس الماضية.
في نهاية المطاف، لا يتعلق تخفيض معدل VFD على ارتفاعات عالية باتباع قاعدة النسبة المئوية الصارمة - بل يتعلق بفهم كيفية تفاعل كثافة الهواء والحرارة وحدود المكونات واختيار VFD المناسب والإعدادات لموقعك المحدد. يؤدي تخطي هذه الخطوة إلى فترات توقف باهظة الثمن، ومعدات مكسورة، وفرق محبطة، في حين أن أخذ الوقت الكافي لحساب التباطؤ مقدمًا يعني تشغيلًا موثوقًا به بغض النظر عن مدى ارتفاعك.
إذا كنت تعمل في مشروع على ارتفاعات عالية وتحتاج إلى مساعدة في اختيار VFD المناسب، أو حساب خفض السرعة، أو استكشاف أخطاء وحدة موجودة وإصلاحها، فنحن هنا لمساعدتك. تواصل معنا للحصول على استشارة، وسوف نتأكد من أن VFD الخاص بك يعمل كما ينبغي، حتى في أعلى أركان العالم.
مراجع
- التوافقي، ج. (2022). اعتبارات الأداء على ارتفاعات عالية لإلكترونيات الطاقة الصناعية. مجلة تحويل الطاقة والحركة الذكية، 48(3)، 24-31.
- ألين برادلي. (اختصار الثاني). المواصفات الفنية لمحول التردد VFD لتطبيقات الارتفاع المتغير. تم الاسترجاع من /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/frequency-converter-vfd.html
- معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). (2019). الاعتبارات البيئية لمحركات التردد المتغير على ارتفاعات عالية. معاملات IEEE المتعلقة بتطبيقات الصناعة، 55(6)، 6210-6217.
- ألين برادلي. (اختصار الثاني). إرشادات ديرتينج لمحول التردد أحادي الطور لدرجة الحرارة المحيطة والارتفاع. تم الاسترجاع من /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/single-phase-frequency-converter.html
- اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC). (2020). معيار لأداء محرك التردد المتغير على الارتفاعات خارج مستوى سطح البحر. إيك 61800-5-1:2020.
- ألين برادلي. (اختصار الثاني). موديلات محرك VFD بقوة 10 حصان ومحرك ترددي ثلاثي الطور مصممة للتطبيقات الصناعية على ارتفاعات عالية. تم الاسترجاع من /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/10-hp-vfd.html و /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/3-phase-frequency-drive.html