Instalowanie napędów VFD

Rys. 2. Szafy sterownicze silników to jedna z opcji montażu napędów VFD. Źródło: Rockwell Automation

Poznanie i zrozumienie różnych opcji instalacyjnych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) może się przyczynić do oszczędności kosztów, skrócenia czasów przestojów i zwiększenia bezpieczeństwa pracy pracowników oraz maszyn.

Koszty są często decydującym czynnikiem przy wyborze miejsca i sposobu instalowania napędów o zmiennej częstotliwości (ang. VFD – Variable Frequency Drives) niskiego napięcia AC.

Jednak przy podejmowaniu kluczowych decyzji dotyczących instalowania takiego napędu kierowanie się przede wszystkim kosztami może doprowadzić niestety do wyższych nakładów finansowych. Takie podejście może także zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia nieplanowanych przestojów i stworzyć potencjalne problemy w zakresie BHP.

W pierwszej kolejności należy więc przeanalizować kilka kwestii związanych z warunkami pracy napędów i bezpieczeństwem pracowników, niezależnie od tego, czy użytkownicy planują zainstalować napędy VFD w nowym, czy istniejącym już zakładzie przemysłowym.

Problemy warunków pracy napędów VFD

Ciepło jest największym wrogiem niezawodności napędów VFD. Jeśli nie jest ono skutecznie odprowadzane, to może nastąpić przegrzanie „warstw złącza” tranzystorów mocy napędu, a w konsekwencji ich spalenie się lub stopienie.

Przegrzewanie się może być także szkodliwe dla inteligentnego modułu mocy (modułu IPM – Intelligent Power Module) napędu VFD. Ponadto może wpływać niekorzystnie na setki mniejszych komponentów i podzespołów dyskretnych, pracujących razem w napędzie.

Instalowanie napędu VFD w centralnej szafie sterowniczej silników (MCC – Motor Control Center) jest pożądaną opcją z perspektywy warunków pracy tego urządzenia. Standard UL- 845 mówi, że wymagania montażowe i procedury testowe centralnych szaf sterowniczych silników odnoszą się do zarządzania ciepłem dla całej szafy MCC. W związku z tym wymaga się od producenta szaf MCC wydania certyfikatu potwierdzającego, że ani napęd VFD nie zostanie uszkodzony na skutek jego zainstalowania i pracy wewnątrz szafy, ani ciepło wytwarzane przez napęd nie zaszkodzi innemu sprzętowi znajdującemu się w szafie.

Jednak należy pamiętać, że prawidłowe zarządzanie ciepłem i uzyskanie certyfikatu zgodności całego zespołu z wymogami standardu UL-845 mogą być wykonane tylko przez producentów centralnych szaf sterowniczych silników. Producenci szaf sterowniczych, nawet posiadający certyfikat UL-508a, nie mogą dodawać napędów VFD do swoich szaf i utrzymać ich zgodności z normą UL-845. Jeśli jakieś urządzenie zainstalowane w szafie MCC nie jest zgodne z wymogami standardu UL-845, to certyfikat UL-845 dla całej szafy staje się nieważny.

Umieszczenie napędu VFD w przemysłowym panelu sterowniczym (ICP – Industrial Control Panel) zamiast w szafie MCC przerzuca realizację zadania chłodzenia napędu na jego użytkownika końcowego.

Jeśli panel ICP musi być uszczelniony, to często wymagany jest klimatyzator do utrzymywania temperatury wewnętrznej w granicach określonych przez projektanta napędu VFD (lub w granicach określonych dla innych podzespołów zainstalowanych w panelu). Ogólna praktyczna reguła mówi, że należy oszacować, czy napęd VFD będzie emitował około 3% całkowitej energii przechodzącej przez niego jako ciepło do swojego bezpośredniego otoczenia.

Wentylacja panelu ICP musi spełniać warunek, że całkowita objętość powietrza przepływającego przez panel przy maksymalnej temperaturze otoczenia musi być wystarczająca do utrzymywania temperatury wewnątrz panelu w granicach dopuszczalnych przez projektanta napędu VFD. Ponadto, gdy otaczające powietrze zawiera pył lub wilgoć, to muszą być zastosowane filtry redukujące ilość zanieczyszczeń. Brak zainstalowanych filtrów lub niedokonywanie ich okresowej wymiany będzie skutkowało przegrzewaniem się komponentów w panelu.

Innym kluczowym problemem dotyczącym napędów VFD montowanych w panelach ICP jest utrzymywanie dostatecznie dużej wolnej przestrzeni wokół nich w celu zapewnienia prawidłowego przepływu powietrza. Każda konstrukcja napędu VFD ma specyficzne wymagania dotyczące minimalnej odległości napędu od innych obiektów – od góry, od dołu i z boków, których przestrzeganie jest kluczowe dla prawidłowego chłodzenia układów elektronicznych i innych podzespołów napędów. Często niedoświadczeni producenci paneli błędnie zakładają, że perforowane korytko kablowe nie jest przeszkodą dla przepływu powietrza i montują je zbyt blisko napędu VFD. Jednak korytko to w istocie jest przeszkodą dla prawidłowego przepływu powietrza i nieprzestrzeganie zaleceń dotyczących minimalnych odstępów często skutkuje przedwczesną awarią napędu.

Napędy VFD montowane na ścianach mają zwykle wentylatory, które wymuszają przepływ powietrza dookoła napędu, co powoduje jego chłodzenie. Należy także zorientować się, co jeszcze może być obecne w tym otaczającym powietrzu: wilgoć, olej maszynowy, pył, chemikalia czy agresywne gazy. Elementy te mogą wniknąć do wnętrza napędu i spowodować jego uszkodzenie lub osadzanie się warstwy brudu, która zmniejsza skuteczność chłodzenia. Utrzymywanie odstępów od obiektów będących przeszkodą dla przepływu powietrza jest dla napędów montowanych na ścianach równie ważne.

Niektórych gazów, takich jak siarkowodór, należy unikać całkowicie, ponieważ mogą one spowodować korozję obwodów drukowanych i złączy. Ponadto w przypadku niektórych napędów musi być utrzymywana minimalna wartość wilgotności względnej powietrza, ponieważ przy zbyt suchym powietrzu przepływającym dookoła napędu problemem staje się elektryczność statyczna. Jest to duży problem, głównie w napędach niskiego napięcia, w których elektroniczne obwody drukowane nie są pokryte lakierem.

Napędy VFD współpracujące z silnikami o mocy powyżej 400 hp (294,2 kW) stają się zbyt duże, aby można je było montować na ścianach i dlatego są instalowane w wolnostojących konstrukcjach, przymocowanych śrubami do podłogi. Wersje te, nazywane napędami do montażu w szafach sterowniczych, wymagają oddzielnego kanału powietrznego do chłodzenia ich radiatorów.

Rys. 1. Użytkownicy powinni zrozumieć nieodłączne zagrożenia i korzyści różnych opcji instalacyjnych, aby zoptymalizować pracę napędu VFD. Źródło: Rockwell Automation

Prawidłowe warunki bezpieczeństwa dla napędów VFD

Ochrona przed łukiem elektrycznym jest istotną kwestią, która powinna być wzięta pod uwagę przed podjęciem decyzji o sposobie i miejscu zainstalowania napędu VFD.

Najbardziej przekonującym argumentem za instalowaniem napędów w szafach MCC jest to, że bezpieczeństwo jest nierozerwalnie związane z całą konstrukcją takiej szafy. Gdy napędy VFD są instalowane w szafach MCC, to wszystkie kwestie BHP personelu są związane z całym procesem podejmowania decyzji o wykorzystaniu tych szaf. Jeśli użytkownicy chcą, aby szafa MCC była odporna na łuk elektryczny, to obudowy napędów VFD muszą być także odporne na łuk.

Poza zabezpieczeniami przed łukiem elektrycznym, z instalowaniem napędów VFD w szafach MCC związane są inne kwestie dotyczące zapewnienia odpowiednich warunków BHP dla personelu:

W szafie MCC zgodnej z wymogami standardu UL-845 napęd VFD musi być zainstalowany w przetestowanym i zgodnym z tym standardem połączeniu szeregowym. Testy te wykonuje producent szafy MCC na poziomie równym lub większym od znamionowych parametrów zwarciowych szafy. Tak długo, jak specyfikacje ogólne szafy MCC spełniają warunki panujące w miejscu jej zainstalowania w zakładzie, zapewnione jest, że każde urządzenie wewnątrz szafy będzie certyfikowane na podłączenie do tego systemu.

Dostęp użytkownika do napędu VFD za pomocą interfejsu operatorskiego (HMI – Human-Machine Interface) jest zawsze wyprowadzony na drzwi szafy typu MCC, o ile nie zostało to określone inaczej. Oznacza to, że operatorzy nie będą musieli otwierać drzwi szafy i narażać swojego bezpieczeństwa wewnątrz, gdy będą chcieli dokonać odczytu, regulacji, zaprogramować lub rozwiązać problem napędu VFD, używając jego panelu sterowania i wyświetlacza.

Gdy napęd VFD jest umieszczany wewnątrz panelu ICP, to musi być także przeanalizowanych wiele aspektów BHP.

Jeśli użytkownicy nie wymagają przy zakupie podania w danych technicznych znamionowego prądu zwarciowego (SCCR – Short-Circuit Current Rating), to niektórzy producenci paneli ICP dostarczają im wyroby o „grzecznościowym”, standardowym znamionowym prądzie zwarcia 5 kA. Oznacza to, że użytkownicy nie mogą podłączyć panelu ICP do sieci energetycznej o maksymalnym prądzie zwarciowym (AFC – Available Fault Current) większym niż 5 kA. Trzeba jednak zaznaczyć, iż maksymalny prąd zwarciowy równy 5 kA jest dosłownie niemożliwy do uzyskania w aplikacji przemysłowej, szczególnie w sieci 480 V AC.

Ponadto wymagania dotyczące zagrożenia łukiem elektrycznym i wyłączenia zasilania przed dokonywaniem prac konserwacyjnych/napraw (lockout/tagout) oznaczają zwykle, że główny odłącznik zasilania panelu ICP będzie musiał być otwarty, zablokowany i oznakowany przed rozpoczęciem wykonywania prac związanych z innymi modułami i urządzeniami znajdującym się wewnątrz lub podłączonymi do tego panelu. Zarządzanie wieloma odłącznikami montowanymi na drzwiach jest niezmiernie trudne. Ale zastosowanie panelu ICP może mieć sens w porównaniu z szafą MCC lub oddzielnymi napędami VFD, bowiem w tych przypadkach, gdy jedna część systemu zostaje wyłączona, to cały system musi także zostać wyłączony.

I znów, w przypadku napędów VFD montowanych na ścianach i w szafach kluczowa jest kwestia prądu zwarciowego. Jeśli to możliwe, napędy VFD powinny być nabywane jako jednostki złożone, w których odłącznik główny i zabezpieczenia zwarciowe są integralną częścią pakietu. To rozwiązuje problem prądu zwarciowego oraz inne problemy bezpieczeństwa pracy w instalacjach i z urządzeniami elektrycznymi.

W przypadku dużych napędów VFD innym problemem jest to, że często są one bardzo ciężkie. Np. technicy utrzymania ruchu często używają narzędzi, podnośników lub nawet wózków widłowych w sposób, który może narazić tych pracowników lub napędy VFD na poważne niebezpieczeństwo. Obudowy na kółkach, wykorzystujące specjalnie zaprojektowany podzespół „wózka”, który jest dopasowany do wewnętrznych prowadnic na dnie szafy VFD, mogą zdecydowanie ułatwić wyjmowanie ciężkich podzespołów z szaf.

Dostępność, bezpieczeństwo, konserwacja i odpowiedniość instalacji napędu VFD mogą mieć długotrwałe skutki, nie do końca oczywiste w fazie projektowania i planowania. Dzięki zrozumieniu nieodłącznych zagrożeń i korzyści różnych opcji instalacyjnych, użytkownicy mogą zoptymalizować pracę napędu VFD w czasie jego cyklu życia, jednocześnie potencjalnie minimalizując przestoje i zagrożenia dla bezpieczeństwa.


Jeff Raefield jest konsultantem technicznym ds. zasilania w firmie Rockwell Automation