산악 지역에 주파수 변환기 VFD를 설치했거나, 고지대 광산 현장의 컨베이어 벨트에서 작업했거나, 안데스 산맥에 위치한 도시에서 HVAC 시스템을 유지 관리한 적이 있다면 아마도 동일한 문제에 직면했을 것입니다. 해수면에 설치한 VFD는 온도가 약간 떨어지지만 고도가 1,000미터 이상 올라갈 때 과열되거나, 조기에 트립되거나, 완전히 차단되는 경우가 있습니다. 30개 이상의 국가에서 12년 동안 시스템 문제를 해결해 온 VFD 공급업체로서 저는 이것이 "불량 장치" 문제가 아니라고 말씀드릴 수 있습니다. 이는 고도 감소 문제이며, 가변 주파수 드라이브를 사용할 때 신규 설치자(심지어 일부 숙련된 엔지니어도)가 저지르는 가장 흔하고 가장 오해되는 실수 중 하나입니다.
대부분의 VFD 가이드가 건너뛰는 기본 사항부터 시작해 보겠습니다. 왜냐하면 고도가 VFD에 영향을 미치는 이유를 이해하는 것이 올바른 정격 감소를 위한 기초를 마련하기 때문입니다. VFD는 작동 중에 생성된 폐열을 제거하기 위해 주변 공기에 의존하는 반도체 부품(IGBT, 다이오드, 커패시터)으로 제작됩니다. 해수면에서 공기는 밀도가 높고 열을 효율적으로 이동시키는 산소와 작은 공기 분자로 가득 차 있으므로 VFD의 냉각 팬과 내부 방열판은 설계된 대로 작동합니다. 1,000미터(3,280피트) 이상으로 올라가면 공기 밀도는 고도가 100미터 높아질 때마다 약 1%씩 감소합니다. 2,500미터(8,200피트)에 도달할 때 공기 밀도는 해수면보다 75% 높으며, 이러한 밀도 저하로 인해 VFD가 의도한 대로 열을 발산할 수 없습니다. 공기 밀도가 낮다는 것은 VFD의 내부 구성 요소에서 열을 운반하는 분자 수가 적다는 것을 의미하므로 주변 공기가 차갑게 느껴지더라도 해당 부품은 정격 온도보다 더 뜨겁게 작동합니다.
여기서 용량 감소가 발생합니다. 이는 높은 고도에서 감소된 열 방출 기능에 맞춰 VFD의 전력 출력을 줄이는 과정입니다. 대안은 VFD가 조기에 종료되거나 실패하도록 하는 것입니다. 이는 용량 감소를 미리 해결하는 것보다 가동 중지 시간만으로 더 많은 비용이 듭니다. 그러나 정격 감소는 모든 경우에 적용되는 일률적인 숫자가 아닙니다. 정격 감소에 필요한 정도를 변경하는 변수가 있으며, 이러한 세부 사항을 건너뛰는 것은 최고의 엔지니어링 팀에서도 잘못되는 경우를 본 것입니다.
먼저 공식 지침에 대해 이야기해 보겠습니다. 왜냐하면 그것이 좋은 출발점이기는 하지만 이야기의 끝은 아니기 때문입니다. 대부분의 VFD 제조업체(우리가 파트너인 제조업체 포함)는 1,000미터 이상에서 100미터마다 VFD의 출력을 약 1%씩 줄여야 한다고 명시하고 있습니다. 그러나 이는 엄격한 규정이 아니라 일반적인 규칙입니다. 100m당 1% 규칙에는 예외가 있으며 이러한 예외는 VFD의 냉각 방법과 현장의 주변 온도라는 두 가지 큰 요인으로 귀결됩니다. 잠깐만요. 냉각 방식이 엄청나거든요. 내부 대류 기반 냉각(소형 패널 장착 모델에서 일반적)을 사용하는 VFD는 열악한 환경을 위해 설계된 별도의 강제 공기 냉각 시스템을 사용하는 VFD보다 훨씬 빠르게 성능을 줄입니다. 예를 들어, 경공업용으로 제작되고 소형 패널에 자주 사용되는 당사의 단상 주파수 변환기 라인은 광업 및 중공업용으로 제작된 대형 3상 가변 주파수 드라이브보다 경감 곡선이 더 가파르습니다. 우리는 해발 3,640m에 위치한 볼리비아 라파스의 프로젝트에서 이를 테스트했습니다. 우리가 공급한 5hp 단상 장치는 35% 전력 감소가 필요한 반면, 동일한 고도에서 동일한 전력 5hp 3상 가변 주파수 드라이브는 22% 감소만 필요했습니다. 차이점은 무엇입니까? 3상 모델에는 방열판 위로 밀도가 높은(음, 해수면보다 밀도가 낮지만 닫힌 패널 내부의 공기보다 밀도가 높은) 공기를 직접 끌어들이는 외부 냉각 팬이 있으므로 고도의 영향을 덜 받습니다.
그런 다음 주변 온도가 있는데, 이는 높은 고도에서 VFD 감소와 관련되는 사람이 거의 없습니다. 사이트가 2,000미터에 있지만 평균 주변 온도가 15°C(59°F)인 경우 10% 감소만 필요할 수 있습니다. 그러나 동일한 2,000미터 현장의 주변 온도가 35°C(95°F)인 경우(콜로라도 로키산맥이나 아타카마 일부 지역과 같은 고지대 사막 지역에서 일반적), 해당 경감을 5% 이상 더 늘려야 합니다. 고도가 높으면 이미 열 방출이 줄어들고 주변 온도가 높을수록 낮은 고도에서도 VFD가 해결해야 하는 열이 추가되기 때문입니다. VFD가 2,200m에서 "과열" 오류로 인해 작동하는 고객으로부터 당황한 전화를 몇 번이나 받았는지 알 수 없습니다. 공기 흐름이 더 좋은 개방되고 그늘진 공간 근처에 배치하는 대신 추가 냉각 없이 뜨겁고 통풍이 되지 않는 다용도실에 장치를 설치했다는 사실을 알게 되었습니다.
또 다른 일반적인 실수는 용량 감소가 단순한 연속 전력 이상의 영향을 미친다는 사실을 망각하는 것입니다. 대부분의 설치자는 지속적인 작동을 위해 VFD의 정격 마력을 낮추는 것을 알고 있지만 최대 부하를 간과합니다. 예를 들어, 적재된 벨트를 시동하기 위해 때때로 12hp 피크가 필요한 컨베이어를 구동하기 위해 10hp VFD를 사용하는 경우 해당 피크 용량도 높은 고도에서 감소되어야 합니다. 우리는 최근 페루 쿠스코에 있는 식품 가공 고객의 10hp VFD가 시동 중에 계속 작동한 후 이 문제를 겪었습니다. 그들은 연속 출력에 대해 100m당 1% 규칙을 따랐지만(3,400m에 있었기 때문에 25% 감소, 연속 7.5hp까지 감소) 여전히 12hp로 설정된 피크 시동 부하를 감소시키지 않았습니다. 이는 VFD가 해당 고도에서 처리할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 것입니다. 감소된 연속 전력과 일치하도록 VFD의 피크 전류 제한을 조정함으로써 생산에 필요한 라인 속도를 희생하지 않고 트리핑을 제거했습니다.
이제 우리는 고지대에 걸쳐 수백 건의 설치를 통해 이를 개선했기 때문에 고객에게 적합한 단계별 프로세스를 살펴보겠습니다. 먼저 일반적인 지역 고도가 아닌 사이트의 정확한 고도부터 시작하세요. "산은 2,500미터를 의미한다"고 가정하지 마십시오. GPS나 지형 지도를 사용하여 VFD가 설치될 정확한 고도를 얻으십시오. 둘째, 현장의 평균 및 최대 주변 온도를 기록하십시오. 이는 가장 가까운 모니터링 스테이션의 기상 데이터를 확인하거나 원격 현장인 경우 VFD 위치 근처에 작은 센서를 설치하는 것을 의미할 수도 있습니다. 셋째, 고도 범위에 적합한 VFD 모델을 선택하십시오. 2,000미터 이상에서 작업하는 경우 외부 냉각을 추가할 수 없는 한 소형 대류 냉각 장치를 건너뛰고 다양한 높이에 맞게 향상된 냉각 기능을 갖춘 3상 주파수 드라이브 라인과 같은 모델을 선택하십시오. 3,000미터 이상의 현장에서는 VFD 크기를 해수면보다 한 프레임 더 크게 조정하는 것이 좋습니다. 이는 대부분의 현장 조정을 제거하는 내장 경감 버퍼 역할을 합니다.
잠깐, 크기 조정 팁으로 다시 돌아가 보겠습니다. 왜냐하면 이것은 우리가 백분율 규칙보다 더 강조하는 것이기 때문입니다. 많은 고객이 "3,000미터에서 25% 감소해야 한다면 25% 더 큰 VFD를 구입하는 것이 어떨까요?"라고 묻습니다. 이것이 바로 크기 조정이 하는 일이며 VFD가 정격 용량보다 낮은 비율로 작동하기 때문에 작동합니다. 즉, 처음부터 폐열이 덜 발생한다는 의미입니다. 우리는 이것을 10hp VFD로 테스트했습니다. 3,000m 현장에 대해 12.5hp로 크기를 조정하면 장치는 정격 용량의 80%로만 작동하므로 생성되는 열은 고도 관련 공기 손실 감소로 인해 과열이 발생하지 않을 만큼 낮습니다. 이는 특히 현장에서 VFD 프로그래밍을 수정하고 싶지 않은 고객의 경우 경감 비율을 계산하고 설정을 조정하는 것보다 간단한 솔루션입니다.
높은 고도에서 VFD가 감소하는 것에 대한 두 가지 큰 신화가 있는데, 이는 우리가 이를 폭로하는 데 많은 시간을 소비합니다. 첫 번째: "고도는 실외 VFD에만 영향을 미칩니다." 아니요, 모든 VFD에 영향을 미칩니다. 심지어 제어판 내부에 설치된 VFD에도 영향을 미칩니다. 제어판은 외부와 마찬가지로 공기 밀도가 떨어지는 밀폐된 작은 공간입니다. 오히려 밀폐된 공간은 이동할 공기의 양이 많지 않기 때문에 열 방출을 더욱 악화시킵니다. 두 번째 신화: "전압이 높을수록 정격 감소를 고칠 수 있습니다." 입력 전압을 VFD로 높이면 열 방출 감소가 보상되지 않습니다. 실제로 IGBT에서 더 많은 열이 발생합니다. 전압이 높을수록 동일한 부하에 대해 전류 소모가 더 높기 때문입니다. 이는 조기 부품 고장으로 가는 빠른 경로이지 해결책이 아닙니다.
숫자가 도움이 되므로 실제 예를 사용하여 이를 구체적으로 만들어 보겠습니다. 에콰도르 키토(해발 2,800m, 평균 주변 온도 18°C)의 한 고객은 포장 라인에 전력을 공급하는 5hp 단상 주파수 변환기를 사용했습니다. 해수면에서 이 장치는 완벽하게 작동했지만 키토에서는 작동한 지 한 시간 이내에 과열로 인해 작동이 중단되었습니다. 우리 팀은 현장을 살펴보았습니다. 제어판은 환기가 되지 않는 밀폐된 방에 있었고, 패널 내부의 평균 온도는 28°C였으며 장치는 최대 5hp 용량으로 작동하고 있었습니다. 우리가 수행한 작업은 다음과 같습니다. 먼저 필요한 경감 계산: 1,000m 이상 100m당 1% = 18% 경감, 10°C 패널 온도 상승에 대한 5% 추가(내부 주변 온도 28°C 대 현장 주변 온도 18°C) = 총 23% 경감. 이는 장치의 최대 안전 연속 출력이 대략 3.85hp임을 의미합니다. 그러나 패키징 라인은 때때로 짧은 기간 동안 6hp 피크가 필요했기 때문에 두 가지 변경을 권장했습니다. 첫째, 기존 5hp 단상 장치를 7.5hp 모델로 교체하고(내장 버퍼 제공으로 크기 조정), 둘째, 공기 흐름을 개선하기 위해 작은 패널 배기 팬을 설치하여 필요한 감소를 7% 더 줄였습니다. 또한 장치의 전체 정격 용량이 아닌 라인의 실제 요구 사항에 맞게 VFD의 피크 전류 제한을 조정했습니다. 결과는? 더 이상 과열이 발생하지 않으며 포장 라인은 필요한 정확한 속도로 가동되며 현재 3년 넘게 가동 중단 시간이 전혀 없습니다.
또 다른 중요한 점: VFD의 용량을 줄이려면 항상 해당 모델에 대한 제조업체의 특정 문서를 확인해야 합니다. 구성 요소마다 고도 제한이 다르기 때문입니다. 예를 들어, VFD 내부의 전해 커패시터는 올바르게 정격을 낮추지 않으면 높은 고도에서 수명이 줄어들 수 있습니다. 왜냐하면 공기가 부족하면 최대 부하로 작동할 때 커패시터 케이스 내부에 더 많은 전기 아크가 발생할 수 있기 때문입니다. 그렇기 때문에 우리 엔지니어링 팀은 고객이 추가 작업을 하지 않고도 아크 발생을 방지하기 위해 고지대 현장에 장치를 공급할 때 VFD의 출력 전압 및 전류 제한을 조정합니다.
고지대 애플리케이션용 VFD 시장에 있다면 냉각 또는 주변 온도를 고려하지 않는 일반 온라인 계산기에 의존하지 마십시오. 당사 사이트에는 고도, 주변 온도, 부하 유형(연속 대 최고) 및 냉각 방법을 입력할 수 있는 맞춤형 도구가 있으며, 이를 통해 정확한 정격 감소 권장 사항 및 모델 제안을 제공합니다. 우리는 이 도구를 1,200미터에서 4,000미터 이상의 현장에 사용해 왔으며 지난 5년 동안 높은 고도에서 고객의 VFD 실패율을 85% 줄였습니다.
결국, 고고도 VFD 감소는 엄격한 백분율 규칙을 따르는 것이 아니라 공기 밀도, 열 및 구성 요소 제한이 어떻게 상호 작용하는지 이해하고 특정 사이트에 적합한 VFD 및 설정을 선택하는 것입니다. 이 단계를 건너뛰면 비용이 많이 드는 가동 중지 시간, 장비 고장 및 팀의 좌절감을 초래하는 반면, 사전에 용량 감소를 계산하는 데 시간을 투자하는 것은 아무리 높은 기업이라도 안정적인 작동을 의미합니다.
고지대 프로젝트를 진행 중이고 올바른 VFD 선택, 정격 감소 계산 또는 기존 장치 문제 해결에 도움이 필요한 경우 당사에서 도와드리겠습니다. 상담을 위해 저희에게 연락하시면 세계의 가장 높은 곳에서도 귀하의 VFD가 제대로 작동하도록 보장해 드리겠습니다.
참고자료
- 하모닉, G. (2022). 산업용 전력 전자 장치에 대한 고도 성능 고려 사항. 전력변환과 지능운동학회지, 48(3), 24-31.
- 알렌-브래들리. (nd). 가변 고도 애플리케이션을 위한 주파수 변환기 VFD 기술 사양입니다. /벡터-주파수-변환기/고성능-주파수-변환기/주파수-변환기-vfd.html에서 검색됨
- 전기전자공학회(IEEE). (2019). 높은 고도에서의 가변 주파수 드라이브에 대한 환경적 고려 사항. 산업 응용 분야에 대한 IEEE 거래, 55(6), 6210-6217.
- 알렌-브래들리. (nd). 주변 온도 및 고도에 대한 단상 주파수 변환기 용량 감소 지침. /벡터-주파수-변환기/고성능-주파수-변환기/단일-위상-주파수-변환기.html에서 검색됨
- 국제전기기술위원회(IEC). (2020). 해수면이 아닌 고도에서 가변 주파수 드라이브 성능을 위한 표준입니다. IEC 61800-5-1:2020.
- 알렌-브래들리. (nd). 고도가 높은 산업 분야에 맞게 설계된 10hp VFD 및 3상 주파수 드라이브 모델입니다. /벡터-주파수-컨버터/고성능-주파수-컨버터/10-hp-vfd.html 및 /벡터-주파수-컨버터/고성능-주파수-컨버터/3-위상-주파수-드라이브.html에서 검색됨