Efektywność energetyczna urządzeń w dużej mierze zależy od efektywności energetycznej podzespołów oraz zastosowanych w nich rozwiązań technicznych. Ostatnio popularne stały się zastosowania w sprężarkach, pompach i wentylatorach silników o zmiennej prędkości.

Zwiększ wydajność poprzez optymalizację zastosowanych komponentów

Obok wysokosprawnych silników indukcyjnych, obecnie powszechnie stosowane są silniki z wirnikami z magnesami trwałymi, które charakteryzują się wysoką sprawnością. Silniki wykorzystujące tę technologię są szeroko znane w branży HVAC jako silniki komutowane elektronicznie (EC). Zazwyczaj silniki EC są stosowane w wentylatorach z zewnętrznym wirnikiem.

Aby wykorzystać technologię EC w różnych branżach, Danfoss wykorzystał sprawdzony algorytm VVC+ i zoptymalizował go do pracy z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi. Sprawność tego typu silników, często nazywanych w skrócie silnikami z magnesami trwałymi (PM), jest porównywalna z silnikami EC. Jednocześnie konstrukcja silników PM jest zgodna z normami IEC, co ułatwia ich integrację zarówno z nowymi, jak i istniejącymi systemami oraz znacznie upraszcza uruchomienie silników.

Technologia Danfoss EC+ umożliwia stosowanie silników PM zgodnych z normą IEC z przetwornicami częstotliwości Danfoss VLT.

Normy efektywności energetycznej

Zwiększenie wydajności systemu to prosty sposób na zmniejszenie zużycia energii przez system. Z tego powodu Unia Europejska zatwierdziła minimalne normy efektywności energetycznej dla szeregu urządzeń technicznych. Tak więc dla trójfazowych silników indukcyjnych wprowadzono minimalny standard efektywności energetycznej (MEPS) (patrz tabela).

Tabela. Normy MEPS dla silników elektrycznych

Jednak, aby osiągnąć maksymalną efektywność energetyczną, należy zwrócić uwagę na wydajność systemu jako całości. Na przykład częste cykle uruchamiania/zatrzymywania silników IE2 skutkują wzrostem zużycia energii, który niweczy oszczędności uzyskiwane podczas normalnej pracy.

Szczególną uwagę należy również zwrócić na wentylatory i pompy. Zastosowanie przetwornicy częstotliwości w połączeniu z urządzeniami tego typu pozwala osiągnąć wyższą wydajność. Zatem decydującym czynnikiem jest ogólna wydajność systemu, a nie wydajność poszczególnych komponentów. Zgodnie z normą VDI DIN 6014 sprawność systemu definiowana jest jako iloczyn sprawności jego części składowych:

Sprawność systemu = Sprawność napędu × Sprawność silnika × Sprawność połączenia × Sprawność wentylatora.

Jako przykład rozważmy wydajność wentylatora odśrodkowego z zewnętrznym wirnikiem używanego w połączeniu z silnikiem EC. Aby uzyskać kompaktowe rozmiary systemu, silnik jest częściowo umieszczony wewnątrz wirnika wentylatora. Taki schemat zmniejsza wydajność wentylatora i wydajność całego systemu. Tym samym wysoka sprawność silnika wcale nie gwarantuje wysokiej sprawności całego układu (rys. 1).

Ryż. 1. Sprawność różnych układów wykorzystujących wentylator odśrodkowy o średnicy 450 mm. Sprawność silników określana jest podczas pomiarów. Sprawność wentylatora uzyskana z katalogów producenta

Jak działa silnik EC

W branży HVAC silnik EC jest ogólnie rozumiany jako specjalny typ silnika, który ma niewielkie rozmiary i wysoką sprawność. Silniki EC działają na zasadzie komutacji elektronicznej zamiast tradycyjnej komutacji szczotkowej występującej w silnikach prądu stałego. Producenci silników EC zastępują uzwojenie wirnika magnesami trwałymi. Magnesy poprawiają wydajność, a komutacja elektroniczna eliminuje problem mechanicznego zużycia szczotek. Ponieważ zasada działania silnika EC jest podobna do zasady działania silnika prądu stałego, takie silniki są często określane jako bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC).

Silniki tej klasy mają zwykle moc do kilkuset watów. W branży wentylacyjnej i klimatyzacyjnej stosowane są najczęściej jako zewnętrzne silniki obrotowe i znajdują zastosowanie w szerokim zakresie mocy. Moc niektórych urządzeń może osiągnąć 6 kW.

Ryż. 2. Różne rodzaje silników

Dzięki wbudowanym magnesom trwałym silniki z magnesami trwałymi nie wymagają osobnego uzwojenia do wzbudzenia. Do działania wymagają jednak elektronicznego sterownika, który generuje pole wirujące. Podłączenie bezpośrednio do linii zasilającej zwykle nie jest możliwe lub powoduje zmniejszenie wydajności. Aby sterować silnikiem, sterownik (przetwornica częstotliwości) musi być w stanie w każdej chwili określić aktualny stan wirnika. W tym celu stosuje się dwie różne metody, z których jedna wykorzystuje sprzężenie zwrotne z czujnika do określenia aktualnego położenia wirnika, a druga z niej nie korzysta.

Ryż. 3. Porównanie różnych rodzajów przełączania

Charakterystyczną cechą silnika ze wzbudzeniem z magnesów trwałych jest charakter odwrotnej siły elektromotorycznej (EMF). W trybie generatora silnik generuje napięcie zwane wsteczną siłą elektromotoryczną. W celu optymalnego sterowania silnikiem sterownik musi jak najbardziej dopasować przebieg napięcia wejściowego do przebiegu wstecznego pola elektromagnetycznego. Producenci bezszczotkowych silników prądu stałego stosują w tym celu przełączanie prostokątne (rysunek 3).

Silniki PM jako alternatywa dla silników EC

Każdy typ silnika z magnesami trwałymi ma swoje zalety i wady. Silniki PM z komutacją sinusoidalną są strukturalnie prostsze, ale wymagają bardziej złożonych obwodów sterujących. W przypadku silników EC sytuacja jest diametralnie odwrotna: wytworzenie prostokątnego sygnału zwrotnego EMF jest trudniejsze, ale struktura obwodu sterującego jest znacznie uproszczona. Jednak elektroniczna technologia przełączania ma wyższe tętnienie momentu obrotowego ze względu na zastosowanie przełączania fali prostokątnej. Ten typ silnika wykorzystuje również 1,22 razy wyższe napięcie niż silniki PM ze względu na zastosowanie dwóch faz zamiast trzech.

Ryż. 4. Obwody zastępcze silników

Zastosowanie magnesów trwałych w silniku (rys. 4) prawie całkowicie eliminuje straty na wirniku, co prowadzi do zwiększenia sprawności.

Zalety wydajności silników EC w porównaniu z tradycyjnymi jednofazowymi silnikami indukcyjnymi z zacienionymi biegunami są najbardziej znaczące w zakresie mocy kilkuset watów. Trójfazowe silniki indukcyjne mają zazwyczaj moc przekraczającą 750 W. Przewaga sprawności silników EC maleje wraz ze wzrostem mocy znamionowej sprzętu. Układy oparte na silnikach EC i silnikach PM (elektronika plus silnik) o podobnej konfiguracji (zasilanie, filtr EMC itp.) mają porównywalne sprawności.

Obecnie szeroko stosowane są trójfazowe silniki indukcyjne, których standardowa instalacja i wymiary ramy są określone w normach IEC EN 50487 lub IEC 72. Jednak wiele silników PM stosuje inne normy. Typowym przykładem są serwonapędy. Dzięki kompaktowym rozmiarom i długiemu wirnikowi serwonapędy są zoptymalizowane pod kątem zastosowań o wysokiej dynamice.

Silniki PM są teraz dostępne w standardowych rozmiarach ram IEC, co pozwala na stosowanie wysokowydajnych silników z magnesami trwałymi w istniejących systemach. Pozwala to na wymianę starszych trójfazowych silników indukcyjnych (TPIM) na bardziej wydajne silniki PM.

Zgodnie z normami IEC istnieją dwa typy silników PM:

Opcja 1: Silniki PM/EC i TPIM mają ten sam rozmiar ramy.

Przykład. Silnik TPIM o mocy 3 kW można zastąpić silnikiem EC/PM o tej samej wielkości.

Opcja 2: Silnik PM/EC o zoptymalizowanej wielkości ramy i silnik TPIM mają taką samą moc znamionową. Ze względu na to, że silniki PM są zwykle bardziej kompaktowe przy porównywalnym poziomie mocy, rozmiar obudowy jest mniejszy niż w przypadku silnika typu TPIM.

Przykład. Silnik typu TPIM o mocy 3 kW można zastąpić silnikiem typu EC/PM o wielkości obudowy odpowiadającej silnikowi typu TPIM o mocy 1,5 kW.

Technologia EC+

Technologia Danfoss EC+ narodziła się w odpowiedzi na wymagania klientów. Umożliwia stosowanie silników PM razem z przetwornicami częstotliwości Danfoss. Klienci mają możliwość wyboru silnika dowolnego producenta. W ten sposób uzyskują wszystkie korzyści technologii EC przy stosunkowo niskich kosztach, nie tracąc przy tym możliwości optymalizacji całego systemu w razie potrzeby.

Połączenie najbardziej wydajnych poszczególnych komponentów w ramach jednego systemu zapewnia również szereg korzyści. Dzięki zastosowaniu standardowych komponentów klienci są niezależni od dostawców i mają swobodny dostęp do części zamiennych. Podczas wymiany silnika nie jest konieczne dostosowywanie połączeń instalacyjnych. Uruchomienie silnika jest podobne do uruchomienia standardowego trójfazowego silnika indukcyjnego.

Korzyści technologii EC+

Ryż. 5. Porównanie rozmiarów
standardowy trójfazowy
silnik indukcyjny
(na dole) i zoptymalizowany
Silnik PM (góra)

Na zalety technologii EC+ składają się następujące czynniki:

• Możliwość wyboru rodzaju zastosowanego silnika (silnik z magnesami trwałymi lub silnik asynchroniczny).
• Schemat sterowania silnikiem pozostaje niezmieniony.
• Niezależność od producenta w doborze elementów silnika.
• Wysoka wydajność systemu została osiągnięta dzięki zastosowaniu komponentów o wysokiej wydajności.
• Możliwość aktualizacji istniejących systemów.
• Szeroki zakres mocy znamionowej silnika.
• Znacznie obniżone parametry wagowe i gabarytowe sprzętu (rys. 5).

Poza wymienionymi zaletami należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną cechę technologii EC+. Faktem jest, że zwykłe wentylatory komutowane elektronicznie nie mogą zapewnić wydajności powyżej nominalnej, ponieważ mają ograniczenie prędkości. Jednocześnie wentylatory zbudowane według architektury EC+ można podkręcać do prędkości obrotowej wirnika powyżej nominalnej. W praktyce oznacza to możliwość zwiększenia przepływu powietrza powyżej nominalnego.

Ponadto pracą silników EC+ można sterować za pośrednictwem BACnet, ModBus i innych protokołów sieciowych.

Technologia EC+ z perspektywy użytkownika końcowego

Osobno należy powiedzieć o spojrzeniu na technologię EC+ z punktu widzenia użytkowników końcowych (z reguły są to specjaliści w zakresie projektowania, montażu i eksploatacji systemów wentylacyjnych):

Znana technologia. Wielu profesjonalistów od dawna używa standardowych silników serii Danfoss VLT HVAC Drive. Konfiguracja silników PM jest prawie identyczna. Użytkownik musi jedynie wprowadzić nowe parametry silnika do systemu zarządzania budynkiem. Zasada sterowania pracą silnika pozostaje niezmieniona. Dzięki temu sterowanie silnikami różnych typów w obrębie tego samego układu nie jest trudne. Istnieje również możliwość wymiany standardowego silnika indukcyjnego na silnik PM.

Niezależny od producenta. Użytkownicy mogą elastycznie dostosowywać swoje systemy, wybierając standardowe komponenty różnych producentów. Optymalna wydajność systemu. Jedynym sposobem na osiągnięcie optymalnej wydajności jest użycie najbardziej wydajnych komponentów. Użytkownicy, którzy chcą osiągnąć maksymalne oszczędności energii, muszą nie tylko używać wydajnych komponentów, ale także mieć wydajny system zbudowany wokół tych komponentów.

Niski koszt utrzymania. Wadą systemów zintegrowanych jest często brak możliwości wymiany poszczególnych elementów. Zużytych części (takich jak łożyska) nie zawsze da się wymienić bez wymiany samego silnika, co może wiązać się z poważnymi kosztami. Zasada działania technologii EC+ polega na wykorzystaniu standardowych komponentów, które użytkownik może zmieniać niezależnie od siebie. Minimalizuje to koszty utrzymania systemu.

Tym samym technologia EC+ wydaje się być bardzo obiecująca w świetle obecnych trendów w oszczędzaniu energii oraz zwiększaniu stopnia sterowalności i sterowalności poszczególnych elementów podsystemów budownictwa. Swoją rolę powinna odgrywać również wszechstronność technologii - możliwość jej zastosowania na wcześniej zainstalowanym sprzęcie.

Yuri Khomutsky, redaktor techniczny magazynu „CLIMATE WORLD”

W artykule wykorzystano materiały z dokumentacji technicznej Danfoss.

We współczesnym świecie problem oszczędzania energii stał się ostry. W związku z tym problematyka ograniczania zużycia energii staje się istotna dla systemów klimatyzacji i wentylacji i z roku na rok poświęca się temu zagadnieniu coraz więcej uwagi. Coraz częściej w specyfikacjach technicznych dotyczących projektowania systemów wentylacyjnych stawiane są odpowiednio rygorystyczne warunki dotyczące zużycia energii, eksperci określają najbardziej ekonomiczny sprzęt. Silniki EC, którym poświęcony jest ten artykuł, to właśnie te urządzenia, które pozwalają zaoszczędzić na energii elektrycznej, jednocześnie zwiększając wydajność sprzętu i jego żywotność.

Nie jest tajemnicą, że systemy HVAC pochłaniają około 70% zasobów energii w budynkach przemysłowych i dużych budynkach komercyjnych. Nowym kierunkiem w oszczędzaniu energii jest stosowanie tzw UE- silniki. Zastosowanie tych silników nie jest jeszcze tak rozpowszechnione, ale od niedawna zarówno zagraniczni, jak i krajowi dostawcy oferują urządzenia wyposażone w silniki EC.

Co jestUE-silnik?UE-silnik - jest to silnik synchroniczny bezszczotkowy z wbudowanym sterowaniem elektronicznym, inaczej można go nazwać komutowanym elektronicznie, stąd łac. skrót UE- Przełączane elektronicznie. Wentylatory wykonane na bazie tego silnika nazywane są wentylatorami EC.

Silnik EC zbudowany jest w oparciu o zewnętrzny wirnik, na którym umieszczone są magnesy trwałe. Sterowanie wirnikiem odbywa się poprzez kontrolowane dostarczanie energii elektrycznej do uzwojenia stojana i jest zależne od aktualnego położenia wirnika. Wirnik jest monitorowany za pomocą czujników Halla, a także parametrów sterowania, które są ustawiane z czujników zewnętrznych w postaci sygnałów prądowych lub potencjałowych. Silnik posiada wbudowany regulator PID - (proporcjonalno-całkujący różniczkowy), pozwala na ustawienie szybkości reakcji silnika na zmianę sygnału sterującego.

Jak działa silnik EC można opisać w ten sposób, sterowanie wektorem pola magnetycznego wytwarzanego przez wbudowane magnesy odbywa się poprzez zmianę kierunku prądu w uzwojeniu stojana. Sterownik oblicza, jaka biegunowość jest potrzebna do ciągłego obracania się wirnika z zadaną prędkością.

Kolejna korzyść z używaniaUE-silniki można uznać za minimalne wytwarzanie ciepła, podczas gdy silniki AC mają temperaturę roboczą do 75 stopni. Dopuszczalne temperatury pracy silnika to +75 i 20C.

Po co więc używaćUE- silniki uzasadnione? Oto główne zalety - kompaktowe rozmiary, wysokie wskaźniki oszczędności energii, płynne i precyzyjne sterowanie, niski poziom hałasu, zmniejszone wytwarzanie ciepła, prawie całkowity brak wibracji, wysoka aerodynamika i moc dopasowana do wirnika, większe zasoby silnika. Silniki EC praktycznie nie mają szczytowych obciążeń rozruchowych, dzięki wbudowanemu regulatorowi, który zapewnia płynny wzrost amplitudy. W wentylatorach AC prąd rozruchowy zwykle przekracza prąd znamionowy 5-7 razy, co wiąże się z koniecznością zwiększenia przekroju przewodów i parametrów rozruszników.

Silniki EC mają wyższą sprawność, sięgającą 80-90%, ponieważ wirnik jest zewnętrzny z magnesami trwałymi, w wyniku czego nie ma strat ciepła w porównaniu do zwartego wirnika silnika asynchronicznego.

Wysoki stopień oszczędności energii osiąga się między innymi poprzez kontrolę prędkości. Oszczędność energii do 30% w porównaniu z silnikami trójfazowymi AC. Ponadto silniki EC są mniej wrażliwe na skoki napięcia dzięki elektronicznej regulacji.

Z eksploatacyjnego punktu widzenia zalety silników EC wynikają z faktu, że części wirujące są zaprojektowane jako jeden dynamicznie i statycznie wyważony element, którego całkowity ciężar jest równomiernie rozłożony na oba łożyska nośne, co znacząco wpływa na żywotność produktu. Towarzyszącą okolicznością jest również minimalizacja drgań i hałasu podczas pracy silnika EC.

Jakich jeszcze argumentów potrzeba, aby używać urządzeń z silnikami EC?

Silniki EC: co, gdzie, dlaczego i po co

EP Vishnevskiy, kandydat nauk technicznych, dyrektor techniczny, United Elements Group
GV Malkov, kierownik produktu

Specjaliści stają się dziś coraz bardziej zorientowani na zakup sprzętu energooszczędnego. Jest droższy od tradycyjnego, ale w pełni zwraca się w trakcie eksploatacji. Opisane w artykule silniki EC pozwalają na zmniejszenie zużycia energii przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności sprzętu i czasu do awarii.

słowa kluczowe: Silnik EC, wentylator EC, sprzęt oszczędzający energię

Opis:

Obecnie specjaliści coraz bardziej skupiają się na zakupie sprzętu energooszczędnego. W porównaniu do tradycyjnego jest droższy, ale w pełni zwraca się podczas eksploatacji. Silniki EC, którym poświęcony jest ten artykuł, pozwalają na zmniejszenie zużycia energii, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności urządzeń i okresu ich nieprzerwanej pracy.

Silniki EC: co, gdzie, dlaczego i dlaczego

Oszczędność energii dzięki systemom EC w różnych obszarach

wnioski

Podsumowując wszystkie zalety systemów nabytych z technologią EC, można podkreślić najważniejsze: sterowane elektronicznie wentylatory EC płynnie reagują na zmieniające się zapotrzebowanie na moc, pracują w szczególnie ekonomicznym trybie częściowego obciążenia i są niewrażliwe na wahania napięcia. Wentylatory EC zapewniają do 30% mniejsze zużycie energii elektrycznej w porównaniu z konwencjonalnymi wentylatorami trójfazowymi AC.

Literatura

1. Vishnevsky E. P. Oszczędność energii w projektowaniu systemów mikroklimatu budynków // Inżynieria sanitarna, Ogrzewanie, Klimatyzacja (S. O.K.). - 2010. - Nr 1.
2. Vishnevsky E. P., Chepurin G. V. Nowe standardy europejskie w dziedzinie HVAC // Hydraulika, ogrzewanie, klimatyzacja (S. O.K.). - 2010. - Nr 2.
3. Wentylatory EC w pompach ciepła // Hydraulika, Ogrzewanie, Klimatyzacja (S.O.K.). - 2008r. - nr 6.
4. Wentylatory EC do przechowalni warzyw i pieczarkarni // Hydraulika, Ogrzewanie, Klimatyzacja (S.O.K.). - 2010. - Nr 1.
5. Świetny klimat i niskie koszty energii dzięki wentylatorom EC w wymiennikach powietrza Airius // Hydraulika, Ogrzewanie, Klimatyzacja (S.O.K.). - 2008. - Nr 2.
6. Synergia silników EC i FCU // Modern Building Services. 2006, sierpień.
7. Silniki EC do chłodnic powietrza // Biuletyn produktowy. październik 2007 r
8. GOST-R 52539-2006. Czystość powietrza w placówkach medycznych. Ogólne wymagania.
9. GOST R ISO 14644-4-2002. Pomieszczenia czyste i powiązane środowiska kontrolowane.

Silnik jest silnikiem prądu stałego ze zintegrowaną elektroniką komutacyjną i magnesami trwałymi w wirniku zewnętrznym. Taki silnik nazywa się elektronicznie komutowanym lub po prostu silnikiem EC.

Jak działa silnik EC?

Na zdjęciu widzimy silnik w rozcięciu. Magnesy trwałe w zewnętrznym uzwojeniu wirnika i stojana. Magnesy trwałe wytwarzają pole magnetyczne. Za pomocą wbudowanej elektroniki zmienia się kierunek przepływu w uzwojeniu stojana. Tym samym ebmpapst pozbył się szczotek, które jak wiadomo nie są trwałe i wymagają regularnej wymiany.

Silnik EC w przekroju

Jak działa elektronika?

Rolę przełącznika w silniku EC ebmpapst pełni tranzystor.

Zasada działania jest prosta - sygnał sterujący małej mocy do tranzystora przyczynia się do przepływu dużego prądu przez uzwojenie stojana. To napędza wirnik silnika.

Jeśli nie ma sygnału sterującego opartego na tranzystorze, to nie ma prądu w uzwojeniu, nie ma przyspieszenia wirnika w zadanym czasie.

Zalety silnika EC

• Napięcie może zmieniać się w szerokim zakresie. Dla 1-fazowego 200-277 V AC, dla 3-fazowego 380-480 V AC. Częstotliwość 50 Hz lub 60 Hz.
• Silnik posiada wbudowany filtr EMC, zabezpieczenie przed zbyt niskim napięciem w sieci, zabezpieczenie przed zanikiem fazy.
• Wbudowane zabezpieczenie przed przegrzaniem silnika i elektroniki, silnik po prostu się wyłącza.
• Wbudowane zabezpieczenie przed zablokowaniem rotora.
• Niski poziom hałasu, szczególnie przy niskich prędkościach.
• Kompaktowa konstrukcja dzięki zewnętrznemu wirnikowi.
• Nie wymaga konserwacji przez cały okres użytkowania.
• Długa żywotność, ponieważ nie ma części zużywających się (szczotek).
• Wysoka sprawność, do 92%, minimalne straty energii i minimalne samonagrzewanie.
• Wszystko jest dostępne do sterowania, przetwornica częstotliwości nie jest potrzebna, filtr sinusoidalny nie jest potrzebny.

Sprawność silnika EC

Łączenie wielu wentylatorów w grupie

Istnieje możliwość łączenia kilku wentylatorów EC w grupy. Jeden wentylator jest głównym (master), reszta to slave (slave). Tym samym sterując głównym wentylatorem sterujemy całą grupą. Jest to wymagane w przypadku instalacji na skraplaczu lub w „pomieszczeniach czystych”. Sygnał sterujący 0-10V lub 4-20mA powinien być doprowadzony tylko do wentylatora głównego.

Instrukcje dotyczące pracy ze sterowaniem EC.

Program sterowania EC jest przeznaczony do ustawiania wentylatorów z komutacją elektroniczną. Program jest bezpłatny.

Aby go otrzymać, wyślij nam prośbę, a my Ci go dostarczymy.

(instrukcja pracy z ec-control w języku rosyjskim 2014)

Klip wideo Technologia EC: