山岳地帯に周波数コンバータ VFD を設置したことがある方、高地の採掘現場でベルトコンベアで作業したことがある方、またはアンデス山脈に囲まれた都市で HVAC システムを保守したことがある方は、おそらく同じ問題に遭遇したことがあるでしょう。海抜ゼロメートルに設置した VFD が過熱したり、途中でトリップしたり、温度が少し下がっただけで高度が 1,000 メートルを超えると完全に停止したりするのです。 30 か国以上でシステムのトラブルシューティングに 12 年間を費やしてきた VFD サプライヤーとして、これは「不良ユニット」の問題ではないと言えます。これは高地でのディレーティングの問題であり、可変周波数ドライブを扱うときに新しい設置者 (一部の熟練エンジニアでさえも) が犯す最も一般的で最も誤解されている間違いの 1 つです。
高度が VFD に影響を与える理由を理解することで、ディレーティングを正しく行うための基礎が築かれるため、ほとんどの VFD ガイドでは省略されている基本から始めましょう。 VFD は、動作中に発生する廃熱を周囲の空気に依存して除去する半導体コンポーネント (IGBT、ダイオード、コンデンサ) で構築されています。海面では、空気は密度が高く、酸素と熱を効率的に移動させる小さな空気分子が詰まっているため、VFD の冷却ファンと内部ヒートシンクは設計どおりに機能します。標高 1,000 メートル (3,280 フィート) を超えると、標高が 100 メートル上がるごとに空気密度が約 1% ずつ低下します。高度 2,500 メートル (8,200 フィート) に達するまでに、空気の密度は海面の密度の 75% になります。この密度の低下がまさに、VFD が本来の方法で熱を放散できない理由です。空気の密度が低いということは、VFD の内部コンポーネントから熱を運ぶ分子が少ないことを意味するため、たとえ周囲の空気が冷たくても、これらの部品は定格温度よりも熱くなります。
ここでディレーティングが登場します。これは、高地での熱放散能力の低下に合わせて VFD の出力を下げるプロセスです。代替案は、VFD をシャットダウンするか、早期に故障させることです。これは、事前にディレーティングに対処するよりも、ダウンタイムだけでもコストが高くなります。しかし、ディレーティングは万能の数値ではありません。どの程度ディレーティングする必要があるかを変える変数があり、それらの詳細を無視すると、トップのエンジニアリング チームでさえ間違いを犯すのを私は見てきました。
まず、公式ガイドラインについて話しましょう。これは良い出発点ではありますが、それで終わりではありません。ほとんどの VFD メーカー (当社と提携しているメーカーを含む) は、1,000 メートルを超えると 100 メートルごとに VFD の出力を約 1% 下げる必要があると指定しています。ただし、これは一般的なルールであり、厳格な規定ではありません。 100 メートルあたり 1% のルールには例外があり、それらの例外は、VFD の冷却方法と設置場所の周囲温度という 2 つの大きな要因によって決まります。そうですね、冷却方法は膨大です。内部の対流ベースの冷却を使用する VFD (小型のパネルマウント モデルに一般的) は、過酷な環境向けに設計された別個の強制空冷システムを備えた VFD よりもはるかに速く出力を低下させます。たとえば、軽工業用途向けに構築され、コンパクトパネルでよく使用される当社の単相周波数コンバータラインは、鉱山や重工業向けに構築された大型の三相可変周波数ドライブよりも急峻なディレーティングカーブを持っています。私たちはこれを、海抜 3,640 メートルにあるボリビアのラパスのプロジェクトでテストしました。供給した 5 馬力単相ユニットには 35% の電力ディレーティングが必要でしたが、同じ標高にある同一出力の 5 馬力三相可変周波数ドライブでは 22% のディレーティングだけで済みました。違い？三相モデルには外部冷却ファンがあり、ヒートシンク上のより高密度の空気 (海面よりも密度は低いですが、閉じたパネル内の空気よりは密度が高い) の空気を直接引き込むため、高度の影響を受けにくくなります。
次に周囲温度ですが、高地での VFD ディレーティングに関係する人はほとんどいません。設置場所の標高が 2,000 メートルでも、平均周囲温度が 15°C (59°F) の場合、10% のディレーティングのみが必要になる可能性があります。しかし、同じ 2,000 メートルの敷地の周囲温度が 35°C (95°F) である場合 (コロラド ロッキー山脈やアタカマ山脈の一部などの砂漠の高地地域では一般的です)、そのディレーティングをさらに 5% 以上増やす必要があります。これは、標高が高いとすでに熱放散が減少しており、周囲温度が高いと、標高が低い場合でも VFD が対処しなければならない余分な熱が追加されるためです。高度 2,200 メートルで「過熱」障害が発生し、VFD がトリップしているお客様からパニックに陥った電話を何度受けたかわかりません。その結果、ユニットを空気の流れが良くなる開けた日陰の場所の近くに置くのではなく、追加の冷却装置もなく、高温で換気されていないユーティリティクローゼットに設置していたことに気づきました。
もう 1 つのよくある間違いは、ディレーティングが継続電力以上の影響を与えることを忘れていることです。ほとんどの設置業者は、連続動作のために VFD の定格馬力を下げることを知っていますが、ピーク負荷を見落としています。たとえば、10 馬力の VFD を使用してコンベヤを駆動している場合、負荷がかかったベルトを始動するために時々 12 馬力のピークが必要になる場合、高高度ではそのピーク容量も下げる必要があります。私たちは最近、ペルーのクスコにある食品加工のクライアントに、10 馬力の VFD が立ち上げ中にトリップし続けた後、この状況を説明しました。彼らは、連続出力について 100 メートルあたり 1% のルールに従っていました (高度 3,400 メートルであったため、25% のディレーティングで連続 7.5 馬力に低下しました) が、ピーク始動負荷はディレーティングされず、依然として 12 馬力に設定されていました。これは、VFD がその高度で処理できるよりもはるかに大きいものでした。 VFD のピーク電流制限をディレーティングされた連続電力に合わせて調整することで、生産に必要なライン速度を犠牲にすることなくトリップを排除しました。
ここで、お客様にとって効果的なプロセスを段階的に見ていきましょう。これは、私たちが高地のサイトで何百もの設置を行ってこのプロセスを洗練させてきたからです。まず、一般的な地域の標高ではなく、サイトの正確な標高から始めます。 「山とは 2,500 メートルを意味する」と想定しないでください。GPS または地形図を使用して、VFD が設置される場所の正確な標高を取得してください。次に、サイトの平均および最高周囲温度に注意してください。これは、最寄りの監視ステーションの気象データを確認すること、または遠隔サイトの場合は VFD の場所の近くに小型センサーを設置することを意味する場合もあります。第三に、高度範囲に適した VFD モデルを選択します。 2,000 メートル以上の高さで作業する場合は、外部冷却を追加できない限り、小型の対流冷却ユニットをスキップし、さまざまな高度に対応する強化された冷却を備えて構築された三相周波数ドライブ ラインのようなモデルを選択してください。 3,000 メートルを超える現場では、多くの場合、VFD のサイズを海抜よりも 1 フレーム大きくすることをお勧めします。これは、ほとんどの現場での調整を不要にする内蔵ディレーティング バッファとして機能します。
待ってください。サイジングのヒントに戻りましょう。パーセンテージ ルールよりも重視するのはこのヒントだからです。多くのお客様が「3,000 メートルで 25% の出力を下げる必要があるなら、25% 大きい VFD を購入すればいいのでは?」と尋ねます。これはまさにサイズアップの効果であり、VFD が定格容量のより低い割合で動作するため、つまり、そもそも発生する廃熱が少なくなるため、機能します。これを 10 馬力の VFD でテストしました。3,000 メートルの現場で 12.5 馬力に設定した場合、ユニットは定格容量の 80% でのみ動作するため、発生する熱は十分に低く、高度に関連した空気放散の減少によって過熱が引き起こされることはありません。これは、特にオンサイトで VFD プログラミングを変更したくないお客様にとっては、ディレーティング率を計算して設定を調整するよりも簡単なソリューションです。
また、高高度での VFD ディレーティングについては 2 つの大きな誤解があり、私たちはその誤りを暴くのに多くの時間を費やしています。 1 つ目: 「高度は屋外の VFD にのみ影響します。」いいえ、コントロール パネル内に設置されている VFD も含め、すべての VFD に影響します。コントロール パネルは密閉された小さな空間であり、空気密度は屋外と同じように低下します。むしろ、密閉空間では大量の空気が移動できないため、放熱が悪化します。 2 番目の通説:「電圧を高くすればディレーティングを修正できる」。 VFD への入力電圧を上げても、熱放散の減少は補償されません。電圧が高くなると同じ負荷に対して流れる電流が増えるため、実際には IGBT の発熱が増加します。これはコンポーネントの早期故障への近道であり、解決策ではありません。
数字が役に立つので、これを具体的にするために実際の例を使用してみましょう。エクアドルのキト (海抜 2,800 メートル、平均周囲温度 18°C) の顧客は、包装ラインに電力を供給する 5 馬力の単相周波数コンバータを備えていました。海抜ゼロメートルでは、このユニットは完璧に機能しましたが、キトでは、実行後 1 時間以内にオーバーヒートでトリップしました。私たちのチームは現場を調査しました。制御パネルは換気のない密閉された部屋にあり、パネル内の平均温度は 28°C で、ユニットは 5 馬力のフル容量で動作していました。まず、必要なディレーティングを計算しました。1,000m を超えると 100m ごとに 1% = 18% ディレーティングに、10°C のパネル温度上昇に対する 5% の追加 (内部周囲温度 28°C 対 サイト周囲温度 18°C) = 合計 23% ディレーティングです。これは、ユニットの最大安全連続出力が約 3.85 馬力であることを意味します。しかし、パッケージング ラインでは短期間に 6 馬力のピークが必要になることがあったため、2 つの変更を推奨しました。1 つは既存の 5 馬力の単相ユニットを 7.5 馬力モデルに交換する (サイズアップしてバッファーを内蔵)、2 つ目は小型パネル排気ファンを取り付けて空気の流れを改善することで、必要なディレーティングがさらに 7% 削減されました。また、ユニットの最大定格容量ではなく、回線の実際のニーズに合わせて VFD のピーク電流制限も調整しました。結果？過熱トリップがなくなり、包装ラインは必要な正確な速度で稼働し、現在 3 年以上ダウンタイムなしで稼働しています。
もう 1 つの重要な点は、コンポーネントごとに高度制限が異なるため、VFD の定格を下げる場合は、必ずそのモデルのメーカー固有のマニュアルを確認する必要があります。たとえば、VFD 内の電解コンデンサは、全負荷で動作させると空気が薄いとコンデンサのケーシング内でアーク放電が発生しやすくなるため、正しくディレーティングされていない場合、高地では寿命が短くなる可能性があります。そのため、当社のエンジニアリング チームは、高地現場にユニットを供給する際に VFD の出力電圧と電流制限を調整し、お客様が追加の作業を行わなくてもアーク発生が発生しないようにしています。
高地用途向けの VFD の市場に参入している場合は、冷却や周囲温度を考慮していない汎用のオンライン計算機に依存しないでください。当社のサイトには、高度、周囲温度、負荷の種類 (連続またはピーク)、冷却方法を入力できるカスタム ツールがあり、正確なディレーティングの推奨事項とモデルの提案が提供されます。当社はこのツールを高度 1,200 メートルから 4,000 メートル以上の現場で使用しており、過去 5 年間で高地でのお客様の VFD 故障率を 85% 削減しました。
結局のところ、高地での VFD ディレーティングは、厳密なパーセンテージ ルールに従うことではありません。空気密度、熱、コンポーネントの制限がどのように相互作用するかを理解し、特定のサイトに適切な VFD と設定を選択することが重要です。このステップをスキップすると、高額なダウンタイム、機器の故障、チームのイライラにつながりますが、時間をかけて事前にディレーティングを計算することで、どれほどレベルが高くても信頼性の高い動作が得られます。
高地プロジェクトに取り組んでいて、適切な VFD の選択、ディレーティングの計算、または既存のユニットのトラブルシューティングについてサポートが必要な場合は、当社がお手伝いいたします。私たちにご相談ください。世界の最も高い場所でも、VFD が正常に動作することを確認します。
参考文献
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