Protection des VFD contre la surchauffe

(Avec l'aimable autorisation de Jon LaPorta)

Rapport du fabricant avec l'aimable autorisation de Pfannenberg Inc.

Les variateurs de fréquence sont un sujet brûlant. Les progrès de la technologie VFD et les réductions de prix entraînent une adoption rapide sur le marché. Des économies d'énergie spectaculaires peuvent offrir une période de récupération mesurée en mois, et les VFD permettent un contrôle précis du moteur dans de nombreuses applications de processus industriels.

Mais les VFD sont également chauds au sens littéral : l'électronique avancée intègre davantage de composants semi-conducteurs dans un facteur de forme plus petit, ce qui entraîne une génération de chaleur plus intense. Des températures élevées dégradent les performances, compromettent la fiabilité opérationnelle et raccourcissent la durée de vie.

Diverses méthodes de refroidissement se sont avérées efficaces, notamment le refroidissement passif par air avec ventilateurs et échangeurs de chaleur, et le refroidissement actif avec climatisation et refroidissement par eau.

Malheureusement, la détermination de la charge de refroidissement peut être un peu déroutante. Les calculs sont inutilement compliqués par une inadéquation des systèmes de mesure. — Unités impériales (HP, BTU, CFM) mélangées à des unités métriques (Watt) — et la conversion se perd dans la traduction.

Par conséquent, chez Pfannenberg, nous avons développé des guides simples pour la sélection et le dimensionnement des solutions de refroidissement VFD.

Les enceintes de protection provoquent une surchauffe

Le défi fondamental du refroidissement VFD vient du fait que les VFD doivent généralement être placés dans une enceinte pour les protéger de l'environnement immédiat, et paradoxalement, ces enceintes retiennent la chaleur qui nécessite une protection contre la surchauffe.

Les boîtiers de base de type NEMA 12 sont souvent spécifiés pour protéger contre les risques courants tels que la poussière de sédimentation, les gouttes d'eau et la condensation de liquides non corrosifs. De plus en plus, les technologies avancées dans les nouveaux VFD tels que la fibre optique nécessitent des boîtiers avec des niveaux de protection plus élevés.

Et avec l'adoption à grande échelle de la technologie VFD, de nombreuses applications nécessitent des boîtiers spécialement conçus pour les environnements difficiles, des boîtiers extérieurs résistants aux intempéries et aux chocs aux boîtiers en acier inoxydable hermétiquement scellés pour les installations de production alimentaire qui doivent résister au nettoyage au jet d'eau. À mesure qu'une enceinte devient plus étanche, elle commence naturellement à retenir plus de chaleur, en raison de la diminution de la dissipation passive, créant ainsi un défi de refroidissement plus important.

La taille de l'enceinte compte également beaucoup. Les dimensions typiques des boîtiers ont été considérablement réduites ces dernières années, pour s'adapter à des espaces plus restreints et économiser sur le coût du boîtier. Dans une grande boîte - imaginez un espace de la taille d'une pièce - la différence de température entre le sol et le plafond provoque un léger flux d'air appelé convection naturelle. Plus l'espace est petit, moins les objets peuvent bénéficier de cet effet de refroidissement. Sans flux d'air adéquat, un phénomène connu sous le nom de "points chauds" est plus susceptible de se développer à la surface et à l'intérieur des VFD, faisant des ravages sur l'électronique sensible.

Le facteur de forme plus petit des VFD et de leurs boîtiers contribue à la surchauffe d'une autre manière : un boîtier plus petit signifie que moins de surface à l'extérieur est disponible pour transmettre la chaleur à l'air ambiant. Tous ces facteurs nécessitent des solutions de refroidissement efficaces et fiables.

Adoption rapide des VFD

Mais d'abord, prenons du recul par rapport à la boîte et considérons la situation dans son ensemble. L'efficacité énergétique des VFD n'est pas seulement bonne pour les entreprises individuelles, elle est également essentielle pour lutter contre le changement climatique.

Dans le monde, environ un quart de toute l'énergie électrique est utilisée pour alimenter des moteurs dans des applications industrielles. Aux États-Unis, environ 40 millions de moteurs consomment 60 à 65 % de toute l'énergie électrique. Les trois quarts de ces moteurs sont des charges de ventilateur, de pompe et de compresseur à couple variable, les types d'applications mûres pour l'efficacité énergétique offerte par les VFD.

Aujourd'hui, seuls 3 % environ des moteurs à courant alternatif sont actuellement contrôlés par des VFD, mais environ 30 à 40 % des nouveaux moteurs installés chaque année sont équipés d'un VFD. Selon un rapport de 2021 de Research Dive, le marché mondial des variateurs de fréquence devrait croître de près de 5 % par an pour atteindre 25 milliards de dollars en 2027.

Les économies d'énergie sont spectaculaires. Les VFD réduisent la consommation d'énergie en permettant aux moteurs électriques de fonctionner à une vitesse inférieure à la pleine vitesse. Les moteurs à induction à courant alternatif de base sont conçus pour fonctionner à une vitesse constante, mais en utilisation réelle, les exigences de vitesse fluctuent, la pleine vitesse n'étant généralement utilisée qu'environ 10% du temps. L'inefficacité inhérente est évidente, analogue au fonctionnement d'un moteur de voiture avec le tachymètre montrant le moteur constamment à sa vitesse maximale.

Les économies d'énergie peuvent être calculées à l'aide des lois d'affinité : la puissance électrique consommée est proportionnelle au cube de la vitesse de rotation. Par conséquent, le ralentissement d'une pompe ou d'un ventilateur à une vitesse de 75 % réduit la consommation d'énergie de près de 60 %, et une vitesse de 50 % permet d'économiser près de 90 %.

De ces gains d'efficacité, il est nécessaire de soustraire le gaspillage d'énergie relativement minime d'environ 3 % dû à la perte de chaleur du VFD. Il est important de quantifier cette perte de chaleur du VFD, non pas pour son impact financier, qui est minime par rapport aux gains d'efficacité globaux de l'utilisation de la technologie, mais plutôt pour le danger que la surchauffe représente pour l'électronique du VFD si la chaleur piégée dans le boîtier est autorisé à dépasser les limites de température acceptables.

Quand choisir le refroidissement passif et quand choisir le refroidissement actif

Il existe deux types de refroidissement différents, le premier étant le refroidissement passif et le second le refroidissement actif. Les deux types utilisent la deuxième loi de la thermodynamique qui, en termes simples, est que l'énergie passe d'une source supérieure à une source inférieure. Le refroidissement passif utilise le chemin naturel du transfert de chaleur avec la chaleur allant de la source de température la plus élevée à la source de température la plus basse. Un bon exemple de ceci est les ventilateurs à filtre, les ventilateurs à filtre déplacent l'air ambiant plus froid dans et à travers une enceinte où cet air absorbe la chaleur jusqu'à ce qu'il soit épuisé et que la chaleur se dissipe dans l'environnement.

Le refroidissement actif nécessite qu'une source d'énergie soit introduite dans le système afin de créer un chemin de transfert de chaleur. Cela se fait couramment avec l'utilisation d'un cycle de compression de vapeur, un cycle de compression de vapeur comporte quatre parties principales, un compresseur, un condenseur, un dispositif d'étranglement et un évaporateur. Le cycle commence avec le compresseur où l'énergie est mise dans le système, le réfrigérant entre dans le compresseur sous basse pression et basse température où il est comprimé, ce qui fait que le réfrigérant quitte le compresseur sous haute pression et haute température. Ensuite, le réfrigérant se déplace à travers le condenseur où la chaleur est évacuée, ce qui fait que le réfrigérant devient un liquide saturé ou sous-refroidi. Ensuite, le réfrigérant passe à travers un dispositif d'étranglement où sa pression et sa température chutent. Enfin, le réfrigérant passe à travers l'évaporateur où la chaleur est absorbée en le transformant en gaz à basse pression et basse température, où le cycle peut ensuite se répéter.

Décider quand utiliser passif et quand utiliser actif est assez simple. Si votre température ambiante est inférieure à la température cible de votre enceinte ou si vous disposez d'une source d'eau refroidie passivement, une unité de refroidissement passive peut être utilisée, ce qui est souhaitable pour les économies d'énergie. Le refroidissement passif utilise beaucoup moins d'énergie que le refroidissement actif, car le refroidissement passif ne nécessite pas d'énergie à mettre dans le système pour permettre un chemin de transfert de chaleur. Si votre température ambiante est supérieure à la température cible de votre enceinte ou si vous ne disposez pas d'une source d'eau refroidie passivement, une unité active doit être utilisée.

Un moyen simple de calculer les besoins en refroidissement

Voici un moyen simple de calculer les besoins en refroidissement pour les méthodes de refroidissement actif et de refroidissement passif.

Règle empirique de refroidissement actif

Les VFD sont généralement dimensionnés en chevaux-vapeur (HP) et les systèmes de refroidissement sont mesurés en British Thermal

Unités (BTU ou BTU/h pour les heures BTU). Mais comment convertir HP en BTU/h ?

Voici la règle de base pour la climatisation et le refroidissement par eau :

75 BTU/h est requis pour chaque 1 HP

En d'autres termes, pour un variateur VFD de 100 HP, 7500 BTU/h de refroidissement sont nécessaires.

Cette règle empirique est dérivée comme suit :

Règle empirique du refroidissement passif

Pour les solutions de refroidissement passif, telles que le Pfannenberg Datawind Filterfan®, la règle d'or est

4 CFM sont nécessaires pour chaque 1 HP pour maintenir 10 °C au-dessus de la température ambiante dans l'enceinte

En d'autres termes, pour un lecteur de 100 HP, 100 CFM sont requis.

Cette règle empirique est dérivée de l'équation suivante

1 CFM = 1,82 x watts de perte de chaleur / Δ Temp (°C)

Ces guides empiriques fournissent un guide général pour la sélection d'une méthode de refroidissement et pour le dimensionnement des exigences de charge de refroidissement. Pour des calculs plus précis tenant compte de la température et de l'humidité ambiantes et d'autres considérations critiques, nous fournissons gratuitement le logiciel de dimensionnement Pfannenberg. En simplifiant le calcul des besoins en refroidissement, nous espérons que l'adoption de la technologie VFD continuera de croître rapidement et que les utilisateurs bénéficieront de performances et d'une durée de vie maximales.

Jon LaPorta est vice-président du marketing chez Pfannenberg Incorporated.