La capacità di controllare con precisione le velocità di processo e di ottenere risparmi energetici ha reso diffusa l'applicazione dei convertitori di frequenza (VFD) e sono sempre più applicati a carichi in ambienti difficili. Come per molti dispositivi elettronici, le condizioni ambientali possono essere un fattore chiave per la durata e l'affidabilità; temperatura, umidità, urti e vibrazioni, carico solare, pulizia e qualità dell'aria sono tutti fattori che possono influenzare la durata prevista dei VFD.
Ci sono una serie di fattori da considerare per garantire che i VFD soddisfino i requisiti del sito. Inoltre, esistono agenzie di test di terze parti, tra cui Underwriters Laboratories (UL), che possono garantire che sia i componenti VFD che gli assemblaggi ingegnerizzati vengano applicati in modo appropriato in determinate circostanze.
Se i VFD fossero applicati insieme a un gruppo di continuità (UPS), i pari tecnologici dei VFD, il numero di guasti prematuri e i requisiti di manutenzione sarebbero ridotti. Tuttavia, la realtà delle condizioni applicative è che i VFD sono installati nelle sale meccaniche, all'esterno sui tetti e in altre aree che invariabilmente causerebbero il guasto dei server dei computer.
Il problema più diffuso è la qualità dell'aria. In molte installazioni esiste una scarsa qualità dell'aria. Ad esempio, le sostanze chimiche caustiche sono spesso presenti nell'aria nelle applicazioni con acqua e acque reflue; queste sostanze chimiche distruggono rapidamente i dielettrici e i circuiti stampati nei VFD. I principali colpevoli sono l'idrogeno solforato e i gas di cloro presenti nell'aria. L'unico modo per proteggersi da queste sostanze chimiche è quello di avere tutte le schede di azionamento con rivestimento conforme. Il rivestimento è in grado di ridurre il tasso di rottura; tuttavia, non lo eliminerà completamente. Il rivestimento conforme dovrebbe essere richiesto su quasi tutti i VFD nelle acque reflue e negli impianti di trattamento delle acque.
Olio nell'aria, detriti specifici del sito - comprese piume, cotone o lanugine - e altre particelle nell'aria possono influenzare la durata dei VFD. Nello specifico, detriti oleosi e materiale di grandi dimensioni possono accumularsi e ostruire le alette strette di un dissipatore di calore VFD nel tempo, limitando il flusso d'aria e causando condizioni di surriscaldamento nell'unità di alimentazione VFD.
Ulteriormente ostacolando le prestazioni, la maggior parte dei VFD di potenza media o maggiore (10 CV e oltre) ha ventole in cui i detriti possono essere catturati o accumulati. Anche se installato in un armadio della National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 12, il dissipatore di calore VFD si estende tipicamente dal retro dell'unità e viene raffreddato dall'aria ambiente anziché dall'aria dall'interno dell'armadio.
In situazioni che richiedono il posizionamento del VFD in un ambiente oleoso o eccessivamente contaminato, si consiglia di sigillare l'armadio, il dissipatore di calore all'interno dell'armadio e di utilizzare il raffreddamento ad aria forzata con filtri. È necessaria una corretta selezione e manutenzione del filtro per fornire aria di raffreddamento adeguata all'azionamento.
UL508C *, lo standard UL per i dispositivi di conversione di potenza allo stato solido, richiede che il gruppo del convertitore venga caricato e sottoposto a test termici con metà del filtro coperto, per simulare un filtro intasato. La selezione di gruppi VFD classificati UL508C può ridurre il rischio di una selezione errata di ventole o filtri.
La polvere di carbone e altri piccoli detriti non possono essere filtrati efficacemente a causa delle dimensioni del particolato, ma non rappresentano un grave pericolo di intasamento del dissipatore di calore a meno che non siano presenti altri contaminanti, come l'olio. Se una soluzione filtrata su un'unità di potenza superiore non è pratica a causa dei requisiti del flusso d'aria, potrebbe essere necessario un programma di manutenzione programmata per facilitare la pulizia del dissipatore di calore, delle ventole e di altri componenti. In alcune applicazioni, per risolvere questi problemi vengono utilizzati armadi NEMA 12 sigillati con aria condizionata. Sebbene ciò possa essere efficace, utilizza grandi quantità di energia, annullando gran parte dei risparmi derivanti dall'utilizzo del VFD.
Quando il posizionamento dei VFD in una sala apparecchiature con aria condizionata non è pratico, il calore ambientale può rappresentare un problema. Quasi tutti i VFD sono classificati a 40 C o 50 C, con alcuni a 45 C. La maggior parte dei gruppi VFD chiusi sono classificati a 40 C. Questo è adeguato per molti siti di installazione quando è disponibile un flusso d'aria di raffreddamento adeguato.
I VFD sono classificati a queste temperature alla corrente a pieno carico con un rating di sovraccarico alto (150% del pieno carico per 1 minuto) o basso (110% del pieno carico per 1 minuto). Questa corrente nominale si traduce in una potenza nominale, generalmente basata sui valori del National Electrical Code (NEC). Spesso, i VFD sono declassati in base all'applicazione, circa l'1% per grado Celsius per temperature ambiente superiori a quelle indicate sulla targhetta. Questo approccio può avere ripercussioni negative sulla conformità al NEC. Per questo motivo, può essere preferibile applicare assemblaggi VFD con classificazione UL508C alla temperatura richiesta, soddisfacendo così i requisiti NEC.
Un equivoco sull'applicabilità UL ai VFD è che UL508A e UL508C possono essere usati in modo intercambiabile. UL508A è stato scritto per pannelli di controllo industriali, inclusi pannelli relè o altri dispositivi elettromeccanici; può essere applicato solo a 40 C come regola di base. Un'ulteriore preoccupazione, UL508A non richiede un test di funzionamento a caldo, in quanto lo standard non è stato scritto in giro o destinato a essere utilizzato con dispositivi di conversione di potenza, che inducono considerazioni termiche significative.
Un componente di azionamento classificato UL508C può essere installato in un assieme e classificato con UL508A senza eseguire alcun test termico effettivo o di progetto. Infatti, in un pannello UL508A, gli unici requisiti sono che i dispositivi di filo e cortocircuito siano di dimensioni e spaziatura dielettrica appropriati. Lo standard UL508A è molto più flessibile dello standard UL508C per quanto riguarda i requisiti di test e certificazione e l'uso di gruppi UL508A può essere rischioso in ambienti difficili. Pertanto, dal punto di vista del controllo di qualità, specialmente in ambienti difficili (superiori a 40 C), è imperativo applicare gruppi VFD con etichetta UL508C.
A complicare ulteriormente le cose, il guadagno di calore solare deve essere tenuto in considerazione quando si considera la selezione termica nelle applicazioni esterne. L'American Society of Heating, Refrigerating & Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ha standard per il calcolo del guadagno di calore solare in base alla superficie, al coefficiente di assorbimento e all'angolo del sole rispetto all'involucro. Questi calcoli sono adatti solo per armadi VFD sigillati.
Un modo per influire su questo guadagno è la selezione della vernice dell'involucro. Il coefficiente di guadagno varia notevolmente da 0,15 per il bianco, da 0,30 a 0,50 per il grigio e fino a 0,97 per il nero. La selezione di un colore che riduca al minimo il carico solare, l'uso di schermi solari e l'orientamento dell'involucro per ridurre il tempo diretto al sole possono servire a ridurre al minimo la quantità di assorbimento termico dell'involucro VFD.
Tuttavia, un approccio molto più efficace rispetto al dimensionamento dei VFD in scatole sigillate consiste nel montare il VFD utilizzando il raffreddamento della custodia o il montaggio del dissipatore di calore VFD all'esterno della custodia. Sebbene l'utilizzo di ventole di raffreddamento per scaricare l'aria calda possa essere efficace, il raffreddamento del dissipatore di calore VFD con l'aria ambiente elimina efficacemente i problemi di guadagno solare rimuovendo il calore e l'aria di raffreddamento dall'armadio stesso.
In conclusione, ci sono numerose condizioni ambientali che devono essere considerate nelle applicazioni VFD. È imperativo neutralizzare gli effetti delle condizioni avverse, che si tratti di sporco, calore, sostanze chimiche o carico solare, per ottenere una lunga durata delle apparecchiature e risparmi energetici. Infine, l'utilizzo di gruppi elencati UL508C consente a utenti e consulenti di sapere che una configurazione è stata rigorosamente testata ed è adatta per l'uso alla sua temperatura nominale.
* Lo standard UL508C è sostituito da UL61800-5-1. Tuttavia, sul mercato sono disponibili VFD con uno di questi standard. Gli utenti devono assicurarsi che vengano rispettate le linee guida appropriate durante l'installazione di un VFD.
Raj L. Narayanan è un product manager per le unità aperte con Eaton. Per ulteriori informazioni, visitare www.eaton.com.