انتخاب درایو در ارتفاع بالا؛ چرا گاهی باید یک رنج بالاتر انتخاب کنیم؟
انتخاب صحیح درایو (اینورتر فرکانسی) فقط بر اساس توان موتور انجام نمیشود. شرایط محیطی مانند دمای محیط، ارتفاع نصب، تهویه تابلو و نوع بار میتوانند روی ظرفیت واقعی درایو تأثیر بگذارند.
یکی از مواردی که در پروژههای صنعتی کمتر مورد توجه قرار میگیرد، ارتفاع محل نصب از سطح دریا است.
چرا ارتفاع روی عملکرد درایو تأثیر میگذارد؟
درایوهای صنعتی برای دفع حرارت تولید شده توسط قطعات قدرت مانند IGBT، دیودها و ماژولهای قدرت، از هیتسینک و جریان هوا استفاده میکنند.
با افزایش ارتفاع:
- چگالی هوا کاهش پیدا میکند.
- انتقال حرارت توسط هوا ضعیفتر میشود.
- دمای قطعات داخلی سریعتر افزایش مییابد.
- درایو نمیتواند با همان جریان نامی در ارتفاع پایین کار کند.
به همین دلیل سازندگان درایو، ظرفیت خروجی را در ارتفاعهای بالا کاهش میدهند که به آن Derating گفته میشود.
از چه ارتفاعی باید Derating را در نظر گرفت؟
در اکثر درایوهای صنعتی:
- تا ارتفاع 1000 متر: عملکرد معمولاً بدون کاهش ظرفیت است.
- بالاتر از 1000 متر: باید کاهش ظرفیت جریان خروجی بررسی شود.
مقدار دقیق کاهش ظرفیت به برند و مدل درایو بستگی دارد.
به عنوان نمونه، برخی سازندگان کاهش ظرفیت حدود 1 درصد به ازای هر 100 متر افزایش ارتفاع را در محدوده مشخص توصیه میکنند.
1- چرا با افزایش ارتفاع، چگالی هوا کاهش پیدا میکند؟
فشار هوا در سطح دریا بیشترین مقدار را دارد، چون وزن ستون هوای بالای سر ما بیشتر است. هرچه ارتفاع افزایش پیدا میکند، مقدار هوای بالای سر کمتر میشود، بنابراین فشار کاهش مییابد.
طبق رابطه گازها:
PV = nRT
با کاهش فشار، تعداد مولکولهای هوا در یک حجم مشخص کمتر میشود؛ یعنی جرم هوا در واحد حجم کاهش پیدا میکند.
به زبان ساده:
در سطح دریا:
- در یک مترمکعب هوا، مولکولهای بیشتری وجود دارد.
در ارتفاع 3000 متر:
- همان یک مترمکعب هوا، مولکولهای کمتری دارد.
پس چگالی هوا کمتر است.
2- چرا کاهش چگالی هوا باعث کاهش انتقال حرارت میشود؟
هوا مانند یک سیال خنککننده عمل میکند.
وقتی فن درایو هوا را از روی هیتسینک عبور میدهد، گرمای هیتسینک به مولکولهای هوا منتقل میشود.
اما مقدار گرمایی که هوا میتواند با خود حمل کند، به جرم هوای عبوری وابسته است.
به صورت ساده:
توان خنککنندگی هوا ≈ جرم هوای عبوری × ظرفیت گرمایی هوا × افزایش دمای هوا
وقتی چگالی هوا کم شود:
- جرم هوایی که در هر ثانیه از روی هیتسینک عبور میکند کاهش مییابد.
- مقدار گرمای کمتری از هیتسینک گرفته میشود.
- دمای هیتسینک بالاتر میرود.
یک مثال ساده
فرض کنید فن یک درایو در سطح دریا در هر ثانیه:
1 کیلوگرم هوا
را از روی هیتسینک عبور دهد.
در ارتفاع بالا ممکن است همان فن از نظر حجمی همان مقدار هوا را جابهجا کند، اما چون هوا سبکتر است، جرم واقعی هوا کمتر باشد؛ مثلاً:
0.8 کیلوگرم هوا در ثانیه
یعنی همان فن، 20٪ توانایی کمتری برای انتقال حرارت دارد.
3- چرا فن قویتر مشکل را کامل حل نمیکند؟
ممکن است تصور کنیم اگر فن را سریعتر کنیم مشکل حل میشود، اما محدودیتهایی وجود دارد:
- طراحی هیتسینک برای یک دبی مشخص انجام شده است.
- افزایش سرعت فن همیشه افزایش متناسب خنککنندگی ایجاد نمیکند.
- نویز و مصرف انرژی افزایش پیدا میکند.
- قطعات داخلی هنوز محدودیت دمایی دارند.
به همین دلیل سازندگان به جای افزایش فن، جریان مجاز درایو را کاهش میدهند.
4- چرا نتیجه این موضوع انتخاب درایو بزرگتر است؟
فرض کنید یک درایو 30 کیلووات در شرایط استاندارد میتواند:
60 آمپر
جریان خروجی بدهد.
اما در ارتفاع بالا به دلیل کاهش توان خنککنندگی، سازنده ممکن است اجازه دهد فقط:
48 آمپر
از آن گرفته شود.
اگر موتور شما 55 آمپر نیاز داشته باشد، این درایو دیگر مناسب نیست؛ حتی اگر روی پلاک آن نوشته شده باشد:
30 kW Drive
بنابراین باید مدلی انتخاب شود که پس از اعمال Derating هنوز حداقل 55 آمپر خروجی داشته باشد.
مثال محاسباتی انتخاب درایو در ارتفاع بالا
فرض کنید:
- توان موتور: 30 کیلووات
- جریان نامی موتور: 60 آمپر
- ارتفاع نصب: 3000 متر
ارتفاع مؤثر:
3000 – 1000 = 2000 متر
اگر ضریب کاهش ظرفیت 1 درصد به ازای هر 100 متر باشد:
20 × 1٪ = 20٪ کاهش ظرفیت
بنابراین درایو فقط:
80٪ ظرفیت نامی خود را خواهد داشت.
جریان مورد نیاز:
60 ÷ 0.8 = 75 آمپر
یعنی باید درایوی انتخاب شود که حداقل 75 آمپر جریان خروجی دائم داشته باشد.
در نتیجه ممکن است به جای یک درایو 30 کیلووات، نیاز به یک مدل 37 کیلووات یا بالاتر باشد.
آیا همیشه باید توان درایو را یک رنج بالاتر انتخاب کرد؟
خیر.
انتخاب رنج بالاتر یک قانون ثابت نیست.
روش صحیح:
- جریان موتور را مشخص کنید.
- شرایط نصب را بررسی کنید.
- ضریب Derating را اعمال کنید.
- درایوی انتخاب کنید که جریان خروجی آن بعد از کاهش ظرفیت، بزرگتر یا مساوی جریان مورد نیاز موتور باشد.
گاهی ممکن است:
- موتور 22kW → درایو 30kW نیاز داشته باشد.
- موتور 55kW → همان درایو 55kW کافی باشد (اگر شرایط مناسب باشد).
عوامل دیگری که باید همزمان بررسی شوند
1- دمای محیط
اگر درایو در محیطی با دمای بالا نصب شود، کاهش ظرفیت بیشتری لازم است.
مثلاً نصب در:
- اتاق برق گرم
- تابلو بدون تهویه مناسب
- محیط صنعتی با دمای بالای 45 درجه
میتواند باعث نیاز به انتخاب درایو بزرگتر شود.
2- نوع بار موتور
نوع بار بسیار مهم است:
بار گشتاور ثابت:
مانند:
- نوار نقاله
- کمپرسور
- جرثقیل
نیاز به ظرفیت جریان بیشتری دارد.
بار گشتاور متغیر:
مانند:
- فن
- پمپ سانتریفیوژ
معمولاً شرایط آسانتری دارد.
3- نصب داخل تابلو
اگر چند درایو کنار هم داخل تابلو نصب شوند، گرمای تولیدی افزایش پیدا میکند و ممکن است نیاز به کاهش ظرفیت بیشتری باشد.
جمعبندی
در نصب درایو در ارتفاع بالا، افزایش رنج توان یک الزام همیشگی نیست؛ اما به دلیل کاهش توان خنککاری، ظرفیت جریان خروجی درایو کاهش پیدا میکند.
بنابراین انتخاب صحیح باید بر اساس جریان واقعی پس از اعمال Derating انجام شود.
در بسیاری از پروژهها نتیجه این محاسبه، انتخاب یک رنج بالاتر از توان موتور است.
منابع معتبر خارجی
- راهنمای شرکت ABB درباره انتخاب و Dimensioning درایو:
ABB Technical Guide No.7 – Dimensioning of a Drive System - راهنمای Siemens درباره شرایط نصب و Derating درایوهای SINAMICS:
Siemens SINAMICS Drive Installation and Environmental Conditions - راهنمای Schneider Electric درباره Altitude Derating:
Schneider Electric Altitude Derating for Variable Speed Drives