Defining heat transfer operability of frequency converter for remote condition monitoring
Mikkelä, Teemu (2019)
Diplomityö
Mikkelä, Teemu
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019072323176
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019072323176
Tiivistelmä
VFD’s (Variable frequency drives) are becoming more common and they are replacing DOL (direct-on-line) drives. A VFD enables process optimization, which improves production, product quality, safety and process efficiency. However, introducing a frequency converter to a drive system also increases the risk of system failure. An unexpected failure of a frequency converter can stop an industrial process, which can result in major financial losses. Heat transfer deterioration is one of the possible fault sources, because the component operation temperatures can increase significantly and reduce the estimated component lifetimes or limit the drive performance. Therefore, a possibility of a predictive maintenance with remote condition monitoring should be investigated to detect weakened heat transfer.
Temperature measurements were conducted in this Master’s Thesis to define if the heat transfer deterioration can be detected. Moreover, the severity of the different heat transfer deterioration parameters were defined and it was assessed if additional temperature measurements are required in a frequency converter assembly. A drive sequence was designed to investigate how to detect the heat transfer deterioration. The drive sequence was divided into three stages: start-up (step response), shutdown (cooling) and dynamic stage.
Heat transfer deterioration had a significant effect on a device operation temperatures and the measured operation temperatures were increased as high as by 20 °C. This high increase in operation temperature affects significantly to the component lifetime estimations and drive loading capability. Frequency converter’s own measurements are sufficient to detect heat transfer deterioration. However, implementing outlet air temperature measurement in frequency converter assembly could be useful to detect the heat transfer deterioration. Heat transfer deterioration can be detected during whole drive sequence. According to measured results, preventive maintenance can be used to monitor the state of heat transfer. Further researchers should investigate different device sizes and define, implement and test a heat transfer model, which can detect the heat transfer deterioration. Nopeussäädetyt sähkökäytöt eli VFD (variable frequency drive) yleistyvät ja korvaavat yleisesti käytössä olevia suorakäyttöjä. VFD mahdollistaa prosessioptimoinnin ja auttaa parantamaan tuotantoa, valmistettavia tuotteita, turvallisuutta sekä käytön hyötysuhdetta. Taajuusmuuttajan lisääminen kuitenkin kasvattaa sähkökäytön vikaantumisriskiä ja sen arvaamaton vikaantuminen voi pysäyttää teollisuusprosessin ja aiheuttaa mittavat taloudelliset tappiot. Yksi merkittävä vikaantumissyy on lämmönsiirron heikkeneminen, joka johtaa komponenttien odotetun eliniän lyhenemiseen tai pahimmillaan käytön tehon rajoitukseen tai sen pysäyttämiseen. Tämän takia ennakoivan huollon mahdollisuutta etäkunnonvalvonnan avulla pitäisi tarkastella, jotta heikentynyt lämmönsiirto havaittaisiin ajoissa.
Diplomityössä suoritettiin laajoja taajuusmuuttajan lämpötilamittauksia, joiden avulla tutkittiin, voiko lämmönsiirron heikkenemisen havaita. Työssä arvioitiin, kuinka merkittävästi eri heikentämistekijät vaikuttivat mitattuihin lämpötiloihin sekä voiko nykyisillä taajuusmuuttajan mittauksilla havaita lämmönsiirron heikentymisen. Mittauksia varten suunniteltiin ajosekvenssi, jonka avulla selvitettiin, kuinka lämmönsiirron heikkeneminen voidaan havaita. Suunniteltu Ajosekvenssi jaettiin kolmeen osaan: käynnistäminen (askelvaste), pysäyttäminen (jäähtyminen) sekä dynaaminen osuus.
Mittauksista selvisi, että taajuusmuuttajan käyttölämpötilat nousivat jopa 20 °C, kun lämmönsiirtokykyä heikennettiin. Näin suuri käyttölämpötilan nousu vaikuttaa merkittävästi komponenttien elinikään sekä kuormitettavuuteen. Taajuusmuuttajan omat mittaukset olivat riittävät havaitsemaan lämmönsiirron heikkenemisen, mutta ne eivät pysty tarkasti määrittämään syytä heikentyneelle lämmönsiirrolle. Mittauksissa havaittiin, että poistoilman lämpötilanmittaus helpottaisi heikentyneen lämmönsiirron havaitsemista. Lämmönsiirron heikentyminen havaittiin kaikissa ajosekvenssin osissa. Tulosten perusteella heikentyneen lämmönsiirron voi havaita etäkunnonvalvonnan avulla. Jatkotutkimusehdotuksena ovat eri laitekokojen testaus ja heikentyneen lämmönsiirron laskentamallin suunnittelu, implementointi sekä testaus.
Temperature measurements were conducted in this Master’s Thesis to define if the heat transfer deterioration can be detected. Moreover, the severity of the different heat transfer deterioration parameters were defined and it was assessed if additional temperature measurements are required in a frequency converter assembly. A drive sequence was designed to investigate how to detect the heat transfer deterioration. The drive sequence was divided into three stages: start-up (step response), shutdown (cooling) and dynamic stage.
Heat transfer deterioration had a significant effect on a device operation temperatures and the measured operation temperatures were increased as high as by 20 °C. This high increase in operation temperature affects significantly to the component lifetime estimations and drive loading capability. Frequency converter’s own measurements are sufficient to detect heat transfer deterioration. However, implementing outlet air temperature measurement in frequency converter assembly could be useful to detect the heat transfer deterioration. Heat transfer deterioration can be detected during whole drive sequence. According to measured results, preventive maintenance can be used to monitor the state of heat transfer. Further researchers should investigate different device sizes and define, implement and test a heat transfer model, which can detect the heat transfer deterioration.
Diplomityössä suoritettiin laajoja taajuusmuuttajan lämpötilamittauksia, joiden avulla tutkittiin, voiko lämmönsiirron heikkenemisen havaita. Työssä arvioitiin, kuinka merkittävästi eri heikentämistekijät vaikuttivat mitattuihin lämpötiloihin sekä voiko nykyisillä taajuusmuuttajan mittauksilla havaita lämmönsiirron heikentymisen. Mittauksia varten suunniteltiin ajosekvenssi, jonka avulla selvitettiin, kuinka lämmönsiirron heikkeneminen voidaan havaita. Suunniteltu Ajosekvenssi jaettiin kolmeen osaan: käynnistäminen (askelvaste), pysäyttäminen (jäähtyminen) sekä dynaaminen osuus.
Mittauksista selvisi, että taajuusmuuttajan käyttölämpötilat nousivat jopa 20 °C, kun lämmönsiirtokykyä heikennettiin. Näin suuri käyttölämpötilan nousu vaikuttaa merkittävästi komponenttien elinikään sekä kuormitettavuuteen. Taajuusmuuttajan omat mittaukset olivat riittävät havaitsemaan lämmönsiirron heikkenemisen, mutta ne eivät pysty tarkasti määrittämään syytä heikentyneelle lämmönsiirrolle. Mittauksissa havaittiin, että poistoilman lämpötilanmittaus helpottaisi heikentyneen lämmönsiirron havaitsemista. Lämmönsiirron heikentyminen havaittiin kaikissa ajosekvenssin osissa. Tulosten perusteella heikentyneen lämmönsiirron voi havaita etäkunnonvalvonnan avulla. Jatkotutkimusehdotuksena ovat eri laitekokojen testaus ja heikentyneen lämmönsiirron laskentamallin suunnittelu, implementointi sekä testaus.