Protegendo VFDs contra superaquecimento

(Cortesia de Jon LaPorta)

Relatório do fabricante cortesia da Pfannenberg Inc.

Unidades de frequência variável são um tema quente. Os avanços na tecnologia VFD e as reduções de preço estão impulsionando a rápida adoção pelo mercado. Economias drásticas de energia podem proporcionar um período de retorno medido em meses, e os VFDs permitem o controle preciso do motor em muitas aplicações de processos industriais.

Mas os VFDs também são quentes no sentido literal: os eletrônicos avançados empacotam mais componentes semicondutores em um fator de forma menor, resultando em geração de calor mais intensa. Temperaturas elevadas degradam o desempenho, prejudicam a confiabilidade operacional e reduzem a vida útil.

Vários métodos de resfriamento têm se mostrado eficazes, incluindo resfriamento de ar passivo com ventiladores e trocadores de calor e resfriamento ativo com ar condicionado e resfriamento de água.

Infelizmente, determinar a carga de resfriamento pode ser um pouco confuso. Os cálculos são desnecessariamente complicados por uma incompatibilidade de sistemas de medição. — Unidades imperiais (HP, BTU, CFM) misturadas com unidades métricas (Watt) — e a conversão se perde na tradução.

Portanto, na Pfannenberg, desenvolvemos guias de regras simples para selecionar e dimensionar soluções de resfriamento VFD.

Invólucros de proteção causam superaquecimento

O desafio básico do resfriamento do VFD vem do fato de que os VFDs geralmente precisam ser colocados em um gabinete para protegê-los do ambiente imediato e, paradoxalmente, esses gabinetes retêm o calor que exige proteção contra superaquecimento.

Os invólucros básicos do tipo NEMA 12 são frequentemente especificados para proteger contra perigos comuns, como acúmulo de poeira, gotejamento de água e condensação de líquidos não corrosivos. Cada vez mais, tecnologias avançadas em novos VFDs, como fibra óptica, exigem gabinetes com níveis de proteção mais aprimorados.

E com a adoção em larga escala da tecnologia VFD, muitas aplicações exigem gabinetes especialmente projetados para ambientes desafiadores, desde gabinetes externos resistentes a impactos e intempéries até gabinetes de aço inoxidável hermeticamente fechados para instalações de produção de alimentos que devem resistir à limpeza com mangueira. À medida que um gabinete se torna mais vedado, ele naturalmente começa a reter mais calor, devido à diminuição da dissipação passiva, criando assim um maior desafio de resfriamento.

O tamanho do gabinete também é muito importante. As dimensões típicas dos gabinetes foram drasticamente reduzidas nos últimos anos, para caber em espaços mais apertados e economizar no custo do gabinete. Em uma caixa grande – imagine um espaço do tamanho de uma sala – a diferença de temperatura entre a área do piso e a área do teto causa um leve fluxo de ar chamado convecção natural. Quanto menor o espaço, menos objetos podem se beneficiar desse efeito de resfriamento. Sem fluxo de ar adequado, é mais provável que um fenômeno conhecido como "pontos quentes" se desenvolva na superfície e no interior dos VFDs, causando estragos em eletrônicos sensíveis.

O fator de forma menor dos VFDs e seus gabinetes contribui para o superaquecimento de outra maneira: uma caixa menor significa que menos área de superfície no exterior está disponível para transmitir calor ao ar circundante. Todos esses fatores exigem soluções de resfriamento eficazes e confiáveis.

Adoção rápida de VFDs

Mas primeiro, vamos dar um passo para trás e considerar o quadro geral. A eficiência energética dos VFDs não é boa apenas para empresas individuais, mas também é fundamental para lidar com as mudanças climáticas.

Em todo o mundo, cerca de um quarto de toda a energia elétrica é usada para fornecer motores em aplicações industriais. Nos EUA, cerca de 40 milhões de motores consomem 60-65% de toda a energia elétrica. Três quartos desses motores são cargas de ventiladores, bombas e compressores de torque variável, os tipos de aplicações ideais para a eficiência energética oferecida pelos VFDs.

Hoje, apenas cerca de 3% dos motores CA são atualmente controlados por VFDs, mas cerca de 30-40% dos novos motores instalados a cada ano têm um VFD. De acordo com um relatório de 2021 da Research Dive, estima-se que o mercado global de acionamentos de frequência variável cresça quase 5% ao ano, para US$ 25 bilhões em 2027.