Wenn Sie jemals einen Frequenzumrichter-VFD in einer Bergregion installiert haben, an einem Förderband an einem hochgelegenen Bergbaustandort gearbeitet haben oder ein HLK-System in einer Stadt in den Anden gewartet haben, sind Sie wahrscheinlich auf das gleiche Problem gestoßen: Der VFD, den Sie auf Meereshöhe installiert haben, überhitzt, löst vorzeitig aus oder schaltet sich ganz ab, wenn die Temperatur nur geringfügig sinkt, die Höhe jedoch über 1.000 Meter steigt. Als VFD-Lieferant, der sich seit 12 Jahren mit der Fehlerbehebung von Systemen in mehr als 30 Ländern beschäftigt, kann ich Ihnen sagen, dass es sich hier nicht um ein Problem mit „schlechten Geräten“ handelt, sondern um ein Leistungsminderungsproblem in großer Höhe und um einen der häufigsten und am meisten missverstandenen Fehler, die neue Installateure (und sogar einige erfahrene Ingenieure) machen, wenn sie mit Frequenzumrichtern arbeiten.
Beginnen wir mit den Grundlagen, die die meisten VFD-Ratgeber überspringen, denn zu verstehen, warum die Höhe Ihr VFD beeinflusst, bildet die Grundlage für die richtige Leistungsreduzierung. VFDs bestehen aus Halbleiterkomponenten – IGBTs, Dioden, Kondensatoren –, die auf die Umgebungsluft angewiesen sind, um die während des Betriebs entstehende Abwärme abzuleiten. Auf Meereshöhe ist die Luft dicht, voller Sauerstoff und winziger Luftmoleküle, die die Wärme effizient transportieren, sodass der Kühlventilator und die internen Kühlkörper eines VFD wie vorgesehen funktionieren. Wenn Sie über 1.000 Meter (3.280 Fuß) klettern, sinkt die Luftdichte pro 100 Meter Höhenunterschied um etwa 1 %. Wenn Sie 2.500 Meter (8.200 Fuß) erreichen, ist die Luft 75 % so dicht wie auf Meereshöhe, und dieser Dichteabfall ist genau der Grund, warum Ihr Frequenzumrichter die Wärme nicht so ableiten kann, wie er soll. Weniger dichte Luft bedeutet, dass weniger Moleküle Wärme von den internen Komponenten des VFD ableiten, sodass diese Teile heißer werden als ihre Nenntemperatur, selbst wenn sich die Umgebungsluft kühl anfühlt.
Hier kommt die Leistungsreduzierung ins Spiel: Dabei wird die Leistungsabgabe des Frequenzumrichters reduziert, um sie an die verringerte Wärmeableitungsfähigkeit in großer Höhe anzupassen. Die Alternative besteht darin, den Frequenzumrichter abzuschalten oder vorzeitig ausfallen zu lassen, was allein aufgrund der Ausfallzeit teurer ist, als eine Leistungsreduzierung im Voraus vorzunehmen. Aber die Leistungsreduzierung ist keine allgemeingültige Zahl – es gibt Variablen, die beeinflussen, wie stark die Leistungsreduzierung sein muss, und wenn ich diese Details weglasse, habe ich selbst Top-Entwicklungsteams Fehler machen sehen.
Lassen Sie uns zunächst über die offiziellen Richtlinien sprechen, denn sie sind ein guter Ausgangspunkt, aber nicht das Ende der Geschichte. Die meisten VFD-Hersteller (einschließlich derjenigen, mit denen wir zusammenarbeiten) geben an, dass Sie alle 100 Meter über 1.000 Metern die Leistung des VFD um etwa 1 % reduzieren müssen – aber das ist eine allgemeine Regel, keine harte Linie. Es gibt Ausnahmen von dieser 1 % pro 100 m-Regel, und diese Ausnahmen hängen von zwei großen Faktoren ab: der Kühlmethode des VFD und der Umgebungstemperatur an Ihrem Standort. Moment, richtig – die Kühlmethode ist riesig. Ein VFD, der eine interne, konvektionsbasierte Kühlung verwendet (üblich bei kleineren, schalttafelmontierten Modellen), wird viel schneller abnehmen als ein VFD mit einem separaten, forcierten Luftkühlsystem, das für raue Umgebungen ausgelegt ist. Beispielsweise weist unsere einphasige Frequenzumrichterreihe, die für leichte Industrieanwendungen entwickelt wurde und oft in kompakten Schalttafeln verwendet wird, eine steilere Leistungsminderungskurve auf als unsere großen dreiphasigen Frequenzumrichter für den Bergbau und die Schwerindustrie. Wir haben dies bei einem Projekt in La Paz, Bolivien, getestet, das sich auf 3.640 Metern über dem Meeresspiegel befindet: Ein von uns geliefertes einphasiges 5-PS-Gerät benötigte eine Leistungsreduzierung von 35 %, während ein dreiphasiger Frequenzumrichter mit identischer Leistung und 5 PS auf derselben Höhe nur eine Leistungsreduzierung von 22 % erforderte. Der Unterschied? Das dreiphasige Modell verfügt über einen externen Kühlventilator, der dichtere Luft (naja, weniger dicht als Meeresspiegel, aber dichter als Luft in einem geschlossenen Panel) direkt über den Kühlkörpern ansaugt, sodass sie weniger von der Höhe beeinflusst wird.
Dann gibt es noch die Umgebungstemperatur, die fast niemand mit der Leistungsreduzierung des Frequenzumrichters in großer Höhe in Verbindung bringt. Wenn Ihr Standort auf 2.000 Metern liegt, die durchschnittliche Umgebungstemperatur jedoch 15 °C (59 °F) beträgt, benötigen Sie möglicherweise nur eine Leistungsreduzierung von 10 %. Wenn jedoch am selben 2.000-Meter-Standort eine Umgebungstemperatur von 35 °C (95 °F) herrscht – was in hochgelegenen Wüstenregionen wie Teilen der Colorado Rocky Mountains oder der Atacama-Region üblich ist –, müssen Sie die Leistungsreduzierung um weitere 5 % oder mehr erhöhen. Das liegt daran, dass große Höhen bereits die Wärmeableitung verringern und höhere Umgebungstemperaturen zusätzliche Wärme erzeugen, die der VFD auch in geringeren Höhen bewältigen muss. Ich kann Ihnen gar nicht sagen, wie oft wir einen panischen Anruf von einem Kunden erhalten haben, dessen VFD aufgrund eines „Überhitzungsfehlers“ in 2.200 Metern Höhe auslöst, nur um festzustellen, dass er das Gerät in einem heißen, unbelüfteten Abstellraum ohne zusätzliche Kühlung installiert hat, anstatt es in der Nähe eines offenen, schattigen Bereichs aufzustellen, wo die Luftzirkulation besser ist.
Ein weiterer häufiger Fehler besteht darin, zu vergessen, dass die Leistungsreduzierung nicht nur die Dauerleistung betrifft. Die meisten Installateure wissen, dass sie die Nennleistung des Frequenzumrichters für den Dauerbetrieb herabsetzen müssen, übersehen dabei jedoch Spitzenlasten. Wenn Sie beispielsweise einen 10-PS-Frequenzumrichter zum Antrieb eines Förderbandes verwenden, das gelegentlich eine Spitzenleistung von 12 PS benötigt, um ein beladenes Band zu starten, muss diese Spitzenleistung in großer Höhe ebenfalls reduziert werden. Wir haben kürzlich einen Kunden aus der Lebensmittelverarbeitung in Cusco, Peru, durch die Situation geführt, nachdem sein 10-PS-VFD beim Starten ständig auslöste. Sie hatten die Regel von 1 % pro 100 m für die Dauerleistung befolgt (sie befanden sich auf 3.400 Metern Höhe, also eine Reduzierung um 25 % auf 7,5 PS Dauerleistung), verringerten jedoch nicht die maximale Startlast, die immer noch auf 12 PS eingestellt war – viel mehr, als der VFD in dieser Höhe bewältigen konnte. Durch die Anpassung der Spitzenstrombegrenzung am Frequenzumrichter an die reduzierte Dauerleistung konnten Auslösungen vermieden werden, ohne dass die für die Produktion erforderliche Liniengeschwindigkeit beeinträchtigt wurde.
Kommen wir nun zum Schritt-für-Schritt-Prozess, der für unsere Kunden funktioniert, denn wir haben ihn über Hunderte von Installationen an hochgelegenen Standorten verfeinert. Beginnen Sie zunächst mit der genauen Höhe Ihres Standorts, nicht mit einer allgemeinen Regionshöhe. Gehen Sie nicht davon aus, dass „Berge 2.500 Meter bedeuten“ – verwenden Sie ein GPS oder eine topografische Karte, um die genaue Höhe zu ermitteln, auf der Ihr VFD installiert wird. Zweitens notieren Sie sich die durchschnittlichen und maximalen Umgebungstemperaturen Ihres Standorts. Dies kann bedeuten, dass Sie die Wetterdaten der nächstgelegenen Überwachungsstation überprüfen oder sogar einen kleinen Sensor in der Nähe des VFD-Standorts installieren, wenn es sich um einen abgelegenen Standort handelt. Drittens wählen Sie das richtige VFD-Modell für Ihren Höhenbereich. Wenn Sie über 2.000 Metern arbeiten, verzichten Sie auf kleine konvektionsgekühlte Einheiten, es sei denn, Sie können eine externe Kühlung hinzufügen, und entscheiden Sie sich für Modelle wie unsere 3-Phasen-Frequenzantriebslinien, die mit verbesserter Kühlung für variable Höhen ausgestattet sind. Für Standorte über 3.000 Metern empfehlen wir oft, Ihren VFD einen Frame größer zu dimensionieren als auf Meereshöhe, was als integrierter Leistungsminderungspuffer fungiert, der die meisten Anpassungen vor Ort überflüssig macht.
Warten wir, kehren wir noch einmal zu diesem Tipp zur Größenbestimmung zurück, denn darauf legen wir mehr Wert als auf die Prozentregel. Viele Kunden fragen uns: „Wenn ich auf 3.000 Metern die Leistung um 25 % reduzieren muss, warum kaufe ich dann nicht einfach einen 25 % größeren VFD?“ Genau das bewirkt eine größere Dimensionierung, und sie funktioniert, weil der Frequenzumrichter mit einem geringeren Prozentsatz seiner Nennkapazität läuft, was bedeutet, dass er von vornherein weniger Abwärme erzeugt. Wir haben dies mit einem 10-PS-VFD getestet – wenn man ihn für einen 3.000-Meter-Standort auf 12,5 PS dimensioniert, läuft das Gerät nur mit 80 % seiner Nennleistung, sodass die von ihm erzeugte Wärme niedrig genug ist, dass die höhenbedingte Verringerung der Luftableitung keine Überhitzung verursacht. Dies ist eine einfachere Lösung als die Berechnung von Herabstufungsprozentsätzen und die Anpassung von Einstellungen, insbesondere für Kunden, die ihre VFD-Programmierung nicht vor Ort ändern möchten.
Es gibt auch zwei große Mythen über die Leistungsreduzierung von Frequenzumrichtern in großer Höhe, deren Entlarvung wir viel Zeit aufwenden. Das erste: „Die Höhe wirkt sich nur auf Outdoor-VFDs aus.“ Nein, es betrifft alle VFDs, auch diejenigen, die in Schalttafeln installiert sind. Bei der Schalttafel handelt es sich um einen abgedichteten, kleinen Raum, in dem die Luftdichte genauso stark abnimmt wie draußen. Wenn überhaupt, verschlechtert der begrenzte Raum die Wärmeableitung, da kein großes Luftvolumen vorhanden ist, um sich zu bewegen. Der zweite Mythos: „Höhere Spannung kann Leistungsminderung beheben.“ Das Erhöhen der Eingangsspannung des VFD gleicht die verringerte Wärmeableitung nicht aus – es führt tatsächlich dazu, dass die IGBTs mehr Wärme erzeugen, da eine höhere Spannung eine höhere Stromaufnahme bei gleicher Last bedeutet. Das ist ein schneller Weg zu einem vorzeitigen Komponentenausfall, keine Lösung.
Lassen Sie uns dies anhand eines realen Beispiels konkretisieren, denn Zahlen helfen. Ein Kunde in Quito, Ecuador (2.800 Meter über dem Meeresspiegel, durchschnittliche Umgebungstemperatur 18 °C) hatte einen einphasigen 5-PS-Frequenzumrichter, der eine Verpackungslinie antreibt. Auf Meereshöhe funktionierte dieses Gerät einwandfrei, aber in Quito löste es innerhalb einer Stunde nach dem Betrieb aufgrund von Überhitzung aus. Unser Team schaute sich den Standort an: Das Bedienfeld befand sich in einem geschlossenen Raum ohne Belüftung, die durchschnittliche Temperatur im Inneren des Bedienfelds betrug 28 °C und das Gerät lief mit voller Leistung von 5 PS. Folgendes haben wir getan: Zuerst haben wir die erforderliche Leistungsreduzierung berechnet: 1 % pro 100 m über 1.000 m = 18 % Leistungsreduzierung, plus 5 % zusätzlich für den Temperaturanstieg des Panels um 10 °C (28 °C Innentemperatur gegenüber 18 °C Umgebungstemperatur am Standort) = insgesamt 23 % Leistungsreduzierung. Damit lag die maximale sichere Dauerleistung des Aggregats bei etwa 3,85 PS. Da die Verpackungslinie jedoch gelegentlich kurzzeitig eine Spitzenleistung von 6 PS benötigte, empfahlen wir zwei Änderungen: Erstens den Austausch der vorhandenen 5-PS-Einphaseneinheit gegen ein 7,5-PS-Modell (größere Größe, die einen eingebauten Puffer ergibt) und zweitens die Installation eines kleinen Panel-Abluftventilators, um den Luftstrom zu verbessern, was die erforderliche Leistungsreduzierung um weitere 7 % reduzierte. Wir haben auch die Spitzenstrombegrenzung des VFD angepasst, um sie an den tatsächlichen Bedarf der Leitung und nicht an die volle Nennkapazität des Geräts anzupassen. Das Ergebnis? Keine Überhitzungsfahrten mehr und die Verpackungslinie läuft genau mit der Geschwindigkeit, die sie benötigt, ohne Ausfallzeiten seit über drei Jahren.
Ein weiterer wichtiger Punkt: Wenn Sie die Leistung eines VFD herabsetzen, sollten Sie immer die spezifische Dokumentation des Herstellers für dieses Modell prüfen, da für verschiedene Komponenten unterschiedliche Höhengrenzen gelten. Beispielsweise kann die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren in Frequenzumrichtern in großer Höhe verkürzt sein, wenn sie nicht richtig herabgesetzt werden, da dünne Luft bei Volllastbetrieb zu stärkerer Lichtbogenbildung im Inneren des Kondensatorgehäuses führt. Aus diesem Grund passt unser Technikteam die Ausgangsspannungs- und Stromgrenzen des Frequenzumrichters an, wenn wir Einheiten für hochgelegene Standorte liefern, um zu verhindern, dass es zu Lichtbögen kommt, ohne dass der Kunde zusätzliche Arbeit leisten muss.
Wenn Sie auf der Suche nach VFDs für Anwendungen in großen Höhen sind, sollten Sie sich nicht auf generische Online-Rechner verlassen, die weder Kühlung noch Umgebungstemperatur berücksichtigen. Auf unserer Website verfügen wir über ein benutzerdefiniertes Tool, mit dem Sie Höhe, Umgebungstemperatur, Lasttyp (kontinuierlich vs. Spitzenlast) und Kühlmethode eingeben können und das Ihnen eine genaue Empfehlung zur Leistungsreduzierung und einen Modellvorschlag gibt. Wir haben dieses Tool für Standorte zwischen 1.200 und über 4.000 Metern eingesetzt und es hat die VFD-Ausfallraten unserer Kunden in großen Höhen in den letzten fünf Jahren um 85 % gesenkt.
Letztendlich geht es bei der Leistungsreduzierung des VFD in großen Höhen nicht um die Einhaltung einer strengen Prozentregel, sondern darum, zu verstehen, wie Luftdichte, Wärme und Komponentengrenzen zusammenwirken, und das richtige VFD und die richtigen Einstellungen für Ihren spezifischen Standort auszuwählen. Das Überspringen dieses Schritts führt zu teuren Ausfallzeiten, kaputter Ausrüstung und frustrierten Teams. Wenn Sie sich jedoch die Zeit nehmen, die Leistungsreduzierung im Voraus zu berechnen, bedeutet dies einen zuverlässigen Betrieb, egal wie hoch Sie sind.
Wenn Sie an einem Projekt in großer Höhe arbeiten und Hilfe bei der Auswahl des richtigen VFD, der Berechnung der Leistungsreduzierung oder der Fehlerbehebung bei einer vorhandenen Einheit benötigen, sind wir für Sie da. Kontaktieren Sie uns für eine Beratung und wir sorgen dafür, dass Ihr VFD auch in den höchsten Winkeln der Welt ordnungsgemäß funktioniert.
Referenzen
- Harmonic, G. (2022). Überlegungen zur Leistung in großer Höhe für industrielle Leistungselektronik. Journal of Power Conversion and Intelligent Motion, 48(3), 24-31.
- Allen-Bradley. (nd). Technische Spezifikationen des Frequenzumrichters VFD für Anwendungen mit variabler Höhe. Abgerufen von /vector-frequenz-converter/high-performance-frequenz-konverter/frequenz-konverter-vfd.html
- Institut für Elektro- und Elektronikingenieure (IEEE). (2019). Umweltaspekte für Frequenzumrichter in großen Höhen. IEEE Transactions on Industry Applications, 55(6), 6210-6217.
- Allen-Bradley. (nd). Richtlinien zur Leistungsreduzierung von Einphasen-Frequenzumrichtern für Umgebungstemperatur und Höhe. Abgerufen von /vector-frequenz-converter/high-performance-frequenz-konverter/single-phase-frequenz-konverter.html
- Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC). (2020). Standard für die Leistung von Frequenzumrichtern in Höhenlagen außerhalb des Meeresspiegels. IEC 61800-5-1:2020.
- Allen-Bradley. (nd). 10-PS-VFD- und 3-Phasen-Frequenzantriebsmodelle für industrielle Anwendungen in großen Höhen. Abgerufen von /vector-frequenz-converter/high-performance-frequenz-converter/10-hp-vfd.html und /vector-frequenz-converter/high-performance-frequenz-konverter/3-phase-frequenz-drive.html