VFDs vor Überhitzung schützen

(Mit freundlicher Genehmigung von Jon LaPorta)

Herstellerbericht mit freundlicher Genehmigung von Pfannenberg Inc.

Frequenzumrichter sind ein heißes Thema. Fortschritte in der VFD-Technologie und Preissenkungen sorgen für eine schnelle Marktakzeptanz. Drastische Energieeinsparungen können eine Amortisationszeit von mehreren Monaten bewirken, und VFDs ermöglichen eine präzise Motorsteuerung in vielen industriellen Prozessanwendungen.

Aber VFDs sind auch im wahrsten Sinne des Wortes heiß: Die fortschrittliche Elektronik packt mehr Halbleiterkomponenten in einen kleineren Formfaktor, was zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führt. Erhöhte Temperaturen beeinträchtigen die Leistung, beeinträchtigen die Betriebssicherheit und verkürzen die Lebensdauer.

Verschiedene Kühlmethoden haben sich bewährt, darunter die passive Luftkühlung mit Ventilatoren und Wärmetauschern sowie die aktive Kühlung mit Klimaanlage und Wasserkühlung.

Leider kann die Ermittlung der Kühllast etwas verwirrend sein. Berechnungen werden durch eine Nichtübereinstimmung der Maßsysteme unnötig kompliziert. – Imperiale Einheiten (HP, BTU, CFM) gemischt mit metrischen Einheiten (Watt) – und die Umrechnung geht bei der Übersetzung verloren.

Deshalb haben wir bei Pfannenberg einfache Faustregeln für die Auswahl und Dimensionierung von VFD-Kühllösungen entwickelt.

Schutzgehäuse führen zu Überhitzung

Die grundlegende Herausforderung bei der VFD-Kühlung ergibt sich aus der Tatsache, dass VFDs normalerweise in einem Gehäuse untergebracht werden müssen, um sie vor der unmittelbaren Umgebung zu schützen, und paradoxerweise speichern diese Gehäuse Wärme, die einen Schutz vor Überhitzung erfordert.

Grundlegende Gehäuse vom Typ NEMA 12 werden häufig zum Schutz vor häufigen Gefahren wie Staubablagerungen, Tropfwasser und Kondensation nicht korrosiver Flüssigkeiten spezifiziert. Fortschrittliche Technologien in neuen VFDs wie Glasfaser erfordern zunehmend Gehäuse mit höherem Schutzniveau.

Und mit der weit verbreiteten Einführung der VFD-Technologie erfordern viele Anwendungen Gehäuse, die speziell für anspruchsvolle Umgebungen entwickelt wurden, von wetter- und stoßfesten Außengehäusen bis hin zu dicht verschlossenen Edelstahlgehäusen für Lebensmittelproduktionsanlagen, die einer Reinigung mit einem Wasserstrahl standhalten müssen. Wenn ein Gehäuse dichter wird, speichert es aufgrund der geringeren passiven Verlustleistung natürlicherweise mehr Wärme, was zu einer größeren Herausforderung bei der Kühlung führt.

Auch die Größe des Gehäuses spielt eine große Rolle. Typische Gehäuseabmessungen wurden in den letzten Jahren drastisch verkleinert, um in engere Räume zu passen und die Kosten des Gehäuses zu senken. In einem großen Kasten – stellen Sie sich einen Raum von der Größe eines Zimmers vor – verursacht der Temperaturunterschied zwischen Boden- und Deckenbereich einen leichten Luftstrom, der als natürliche Konvektion bezeichnet wird. Je kleiner der Raum, desto weniger Gegenstände können von diesem Kühleffekt profitieren. Ohne ausreichenden Luftstrom ist es wahrscheinlicher, dass sich auf der Oberfläche und im Inneren von VFDs ein Phänomen entwickelt, das als „Hot Spots“ bekannt ist und empfindliche Elektronik verwüstet.

Der kleinere Formfaktor von VFDs und ihren Gehäusen trägt auf andere Weise zur Überhitzung bei: Ein kleinerer Kasten bedeutet, dass weniger Oberfläche an der Außenseite zur Verfügung steht, um Wärme an die Umgebungsluft zu übertragen. All diese Faktoren erfordern effektive und zuverlässige Kühllösungen.

Schnelle Einführung von VFDs

Aber lassen Sie uns zunächst einen Schritt zurücktreten und das Gesamtbild betrachten. Die Energieeffizienz von Frequenzumrichtern ist nicht nur für einzelne Unternehmen von Vorteil, sie ist auch von entscheidender Bedeutung für die Bekämpfung des Klimawandels.

Weltweit wird etwa ein Viertel der gesamten elektrischen Energie für die Versorgung von Motoren in industriellen Anwendungen verwendet. In den USA verbrauchen schätzungsweise 40 Millionen Motoren 60–65 % der gesamten elektrischen Energie. Bei drei Viertel dieser Motoren handelt es sich um Lüfter-, Pumpen- und Kompressorlasten mit variablem Drehmoment, also um Anwendungen, die für die Energieeffizienz von Frequenzumrichtern reif sind.

Heutzutage werden nur etwa 3 % der Wechselstrommotoren durch VFDs gesteuert, aber etwa 30–40 % der jedes Jahr neu installierten Motoren verfügen über einen VFD. Laut einem Bericht von Research Dive aus dem Jahr 2021 wird der weltweite Markt für Frequenzumrichter schätzungsweise jährlich um fast 5 % auf 25 Milliarden US-Dollar im Jahr 2027 wachsen.

Die Energieeinsparungen sind dramatisch. VFDs reduzieren den Energieverbrauch, indem sie es ermöglichen, dass Elektromotoren mit weniger als voller Drehzahl laufen. Einfache Wechselstrom-Induktionsmotoren sind für den Betrieb mit konstanter Drehzahl ausgelegt, doch im tatsächlichen Einsatz schwanken die Drehzahlanforderungen, wobei die volle Drehzahl typischerweise nur etwa 10 % der Zeit genutzt wird. Die inhärente Ineffizienz ist offensichtlich, vergleichbar mit dem Betrieb eines Automotors, bei dem der Drehzahlmesser anzeigt, dass der Motor ständig mit maximaler Drehzahl läuft.

Die Energieeinsparung lässt sich anhand der Affinitätsgesetze berechnen: Die aufgenommene elektrische Leistung ist proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Daher reduziert die Verlangsamung einer Pumpe oder eines Lüfters auf 75 % der Drehzahl den Energieverbrauch um fast 60 %, und eine Drehzahl von 50 % spart fast 90 %.

Von diesen Effizienzgewinnen muss die relativ geringe Energieverschwendung von etwa 3 % aufgrund von Wärmeverlusten des VFD abgezogen werden. Es ist wichtig, diesen Wärmeverlust des VFD zu quantifizieren, und zwar nicht wegen seiner finanziellen Auswirkungen, die im Vergleich zu den Gesamteffizienzgewinnen der Nutzung der Technologie minimal sind, sondern vielmehr wegen der Gefahr, die eine Überhitzung für die VFD-Elektronik darstellt, wenn die Wärme im Gehäuse eingeschlossen wird darf akzeptable Temperaturgrenzen überschreiten.

Wann sollte man sich für eine passive und wann für eine aktive Kühlung entscheiden?

Es gibt zwei verschiedene Arten der Kühlung, die erste ist die passive Kühlung und die zweite die aktive Kühlung. Beide Arten nutzen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der in einfachen Worten besagt, dass Energie von einer höheren Quelle zu einer niedrigeren Quelle fließt. Passive Kühlung nutzt den natürlichen Weg der Wärmeübertragung, wobei die Wärme von der Quelle mit höherer Temperatur zur Quelle mit niedrigerer Temperatur geleitet wird. Ein gutes Beispiel hierfür sind Filterlüfter. Filterlüfter befördern die kältere Umgebungsluft in und durch ein Gehäuse, wo diese Luft Wärme aufnimmt, bis sie erschöpft ist und die Wärme an die Umgebung abgibt.

Für die aktive Kühlung muss dem System eine Energiequelle zugeführt werden, um einen Weg für die Wärmeübertragung zu schaffen. Dies geschieht üblicherweise mithilfe eines Dampfkompressionszyklus. Ein Dampfkompressionszyklus besteht aus vier Hauptteilen: einem Kompressor, einem Kondensator, einer Drosselvorrichtung und einem Verdampfer. Der Zyklus beginnt mit dem Kompressor, wo dem System Energie zugeführt wird. Kältemittel gelangt unter niedrigem Druck und niedriger Temperatur in den Kompressor, wo es komprimiert wird, wodurch das Kältemittel den Kompressor unter hohem Druck und hoher Temperatur verlässt. Anschließend strömt das Kältemittel durch den Kondensator, wo ihm Wärme entzogen wird, wodurch das Kältemittel zu einer gesättigten oder unterkühlten Flüssigkeit wird. Anschließend durchläuft das Kältemittel eine Drosselvorrichtung, wo sein Druck und seine Temperatur sinken. Schließlich durchläuft das Kältemittel den Verdampfer, wo Wärme absorbiert wird und es in Gas mit niedrigerem Druck und niedriger Temperatur umgewandelt wird, wo sich der Zyklus dann wiederholen kann.

Die Entscheidung, wann passiv und wann aktiv verwendet werden soll, ist ziemlich einfach. Wenn Ihre Umgebungstemperatur niedriger ist als die Zieltemperatur Ihres Gehäuses oder Sie über eine Quelle für passiv gekühltes Wasser verfügen, kann eine passive Kühleinheit verwendet werden, was zur Energieeinsparung wünschenswert ist. Die passive Kühlung verbraucht deutlich weniger Energie als die aktive Kühlung, da bei der passiven Kühlung keine Energie in das System eingespeist werden muss, um einen Weg für die Wärmeübertragung zu ermöglichen. Wenn Ihre Umgebungstemperatur höher ist als die Zieltemperatur Ihres Gehäuses oder Sie keine Quelle für passiv gekühltes Wasser haben, muss eine aktive Einheit verwendet werden.

Einfache Methode zur Berechnung des Kühlbedarfs

Hier finden Sie eine einfache Möglichkeit, den Kühlbedarf sowohl für aktive als auch für passive Kühlmethoden zu berechnen.

Faustregel für aktive Kühlung

VFDs werden normalerweise in PS (PS) dimensioniert und Kühlsysteme werden in British Thermal gemessen

Einheiten (BTU oder BTU/h für BTU-Stunden). Aber wie rechnet man von HP in BTU/h um?

Hier ist die Faustregel für Klimaanlage und Wasserkühlung:

Pro 1 PS sind 75 BTU/h erforderlich

Mit anderen Worten: Für einen 100-PS-VFD-Antrieb sind 7500 BTU/h Kühlung erforderlich.

Diese Faustregel leitet sich wie folgt ab:

Faustregel für passive Kühlung

Für passive Kühllösungen wie den Pfannenberg Datawind Filterfan® gilt die Faustregel

Pro 1 PS sind 4 CFM erforderlich, um eine Temperatur von 10 °C über der Umgebungstemperatur im Gehäuse aufrechtzuerhalten

Mit anderen Worten: Für einen 100-PS-Antrieb sind 100 CFM erforderlich.

Diese Faustregel ergibt sich aus der folgenden Gleichung

1 CFM = 1,82 x Watt Wärmeverlust / Δ Temperatur (°C)

Diese Faustregeln bieten einen allgemeinen Leitfaden für die Auswahl einer Kühlmethode und für die Dimensionierung der Kühllastanforderungen. Für genauere Berechnungen, die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit sowie andere wichtige Überlegungen berücksichtigen, stellen wir die Pfannenberg-Dimensionierungssoftware kostenlos zur Verfügung. Durch die Vereinfachung der Berechnung des Kühlbedarfs hoffen wir, dass die Akzeptanz der VFD-Technologie weiterhin schnell zunimmt und die Benutzer von maximaler Leistung und Lebensdauer profitieren.

Jon LaPorta ist Vizepräsident für Marketing bei Pfannenberg Incorporated.