Основными задачами двадцать первого века являются уменьшение уровня энергопотребления и экологическая безопасность. Начиная с 2005 года на регулярных встречах лидеров «большой восьмерки» эти вопросы выделились на уровень ключевых глобальных. Для исследования возможностей экономии в энергетике продукции европейскими странами в том же году были утверждены EcoDesign директивы. Исходя из этих директив, энергопотребление европейскими странами должно сократиться на 34 тераватт-час в год.
Вентиляторы и кондиционеры входят в лидирующую группу оборудования по потреблению электроэнергии в Европе. Величина электропотребления в Европе на данный момент составляет 400 тераватт-час в год, а до 2020 года она может достичь 650 тераватт-час в год. В прошедшем 2010 году Европарламент принял жесткие меры по обязательному сокращению потребления электроэнергии вентиляторами. Соответственно, все европейские производители вентиляционной техники при создании своей продукции вынуждены учитывать новые нормы энергоэффективности.
ЕС-двигатели являются одним из самых перспективных направлений в области производства вентиляторов. Уже в настоящее время ЕС- двигатели нашли широкое применение в холодильной, вентиляционной технике, кондиционерах, тепловых насосах. По предварительным расчетамдальнейшее применение ЕС-технологий в этих отраслях позволит сократить потребление электроэнергии в Европе более чем на 30%.

ЕС-двигатели , или электронно-коммутируемые двигатели с постоянными магнитами, - это бесщеточные двигатели постоянного тока с внешним ротором, имеющие встроенную функцию управления и с возможностью непосредственного подключения к сети переменного тока. В отличии от традиционных двигателей, с трансформаторной или электронной регулировкой частоты оборотов, в ЕС-двигателях оптимальная и эффективная работа на любых оборотах обеспечивается электронной (бесконтактной) коммутацией.
Встроенный ЕС-контроллер позволяет управлять вентилятором с учетом сигналов внешних устройств (датчиков температурыдавления, влажности, таймера и т д.) дистанционно, посредством системы диспетчеризации.
Кроме существенной экономии энергии, ЕС-вентиляторы, вследствии малого нагрева, не нуждаются в дополнительном охлаждении, а затраты на их сервисное обслуживание минимальные.
Наличие полного автоматического контроля работызащиты от перегрева, перекоса фаз, блокировки ротора и тому подобное значительно удлиняет срок эксплуатации ЕС-техники по сравнению с традиционной.
За счет того, что ЕС-вентиляторы имеют конструкцию, при которой двигатель находится внутри рабочего колеса, возможность его механических повреждений сведена к минимуму. Кроме этого, такая конструкция вентилятора позволяет достигнуть превосходной балансировки системы, максимально компактного размера, минимального уровня шума.
Отсуствие клиноременной передачи, шкивов, механизмов натяжения и других элементов традиционных вентиляторов сводит к минимуму и эксплуатационные затраты.
Всё вышеуказанное и максимальная возможность плавной и точной регулировки в зависимости от внешних условий без какого-либо дополнительного оборудования, минимизирует общую стоимость системы.
ЕС-двигатели более надежны в работе при колебаниях сети. В отличие от обычных асинхронных двигателей, которые при небольшом превышении напряжения начинают перегреваться, ЕС-двигатели стабильно работают при напряжениях до 480В, а при понижении напряжения до определенного уровня двигатель выдает аварийный сигнал и плавно останавливается.
Несмотря на то, что ЕС-вентиляторы имеют достаточно высокую на сегодняшний день стоимость, срок окупаемости их небольшой.

Мотор представляет собой двигатель постоянного тока со встроенной электроникой коммутации и постоянными магнитами во внешнем роторе. Такой мотор называют Electronically Commutated, или просто EC-мотор.

Как действует ЕС-мотор?

На картинке мы видим двигатель в разрезе. Постоянные магниты во внешнем роторе и обмотки статора. Постоянные магниты создают магнитное поле. При помощи встроенной электроники изменяется направление потока в обмотке статора. Тем самым ebmpapst избавились от щеток, которые, как известно, не долговечны и требуют регулярной замены.

ЕС-мотор в разрезе

Как работает электроника?

Роль коммутатора в ЕС-моторе ebmpapst играет транзистор.

Принцип работы прост - сигнал управления малой мощности на транзистора способствует прохождению большого тока через обмотку статора. Это приводит в движение ротор двигателя.

Если сигнала управления на базе транзистора нет, то отсутствует и ток в обмотке, нет ускорения ротора в данный момент времени.

Преимущества ЕС мотора

• Напряжение может изменяться в большом диапазоне. Для 1-фазных 200-277 В AC, для 3-фазных 380-480 В AC. Частота 50 Гц или 60 Гц.
• В двигатель встроен EMC фильтр, защита от низкого напряжения в сети, защита от пропадания фаз.
• Встроена защита от перегрева мотора и электроники, двигатель просто отключается.
• Встроена защита от блокировки ротора.
• Низкий уровень шума, особенно на пониженных оборотах.
• За счет внешнего ротора компактное исполнение.
• Не требует обслуживания на протяжении всего срока службы.
• Большой срок службы, так как нет деталей с быстрым износом (щетки).
• Высокий КПД, до 92%, минимальные потери энергии и минимальный самонагрев.
• Для управления все есть, частотный преобразователь не нужен, синус фильтр не нужен.

КПД ЕС-мотора

Подключение нескольких вентиляторов в группу

Есть возможность объединять несколько ЕС-вентиляторов в группы. Один вентилятор является главным (master), остальные подчиненными (slave). Тем самым управляя главным вентилятором мы управляем всей группой. Это востребовано при установке на конденсаторе или в "чистых помещениях". Управляющий сигнал 0-10B или 4-20 мА нужно подавать только на master вентилятор.

Инструкция по работе с EC-control.

Программа EC-control предназначена для настройки электронно-коммутируемых вентиляторов. Программа является бесплатной.

Для ее получения сделайте нам запрос и мы ее вам предоставим.

(инструкция по работе с ec-control на русском языке 2014 год)

Видео ролик ЕС-технология:

Отличительной особенностью нового цифрового формата технологии хранения овощей и фруктов Тургор АМ от традиционных зарубежных технологий является применение высоконапорных радиальных центробежных вентиляторов с ЕC-моторами (электронно-коммутируемых) .

Специалисты компании Тургор АМ , руководствуясь многолетним опытом хранения, считают, что именно ЕС-вентиляторы от немецкого концерна ebm-papst на основе "зеленых" технологий GreenTech являются лучшим решением по обеспечению технологии хранения овощей и фруктов в соответствии с последними научными исследованиями в области специфики агротехнологий, энергосбережения и экологии.

Данные вентиляторы уже на протяжении многих лет отлично справляются с жесткими условиями эксплуатации , которые наблюдаются в сельскохозяйственной сфере: влажность, вибрации, пыль, грязь, перепады температур и др. Двигатель имеет пылевлагонепроницаемое исполнение и оснащен износостойкими подшипниками.

У ЕС-двигателей КПД более 90% при любой частоте вращения. Увеличенный КПД означает не только лучшее использование первичной энергии, но и то, что при работе в окружающую среду будет выделяться меньше тепла.

По сравнению со стандартными вентиляторами с асинхронными двигателями ЕС-вентиляторы потребляют на 50% меньше электроэнергии .

На графике: отличие технологий АС (асинхронные двигатели) и ЕС (электронно-коммутируемые двигатели)

ЕС-технология может быть использована во всем диапазоне, закрашенном голубым цветом. Кроме того, на темно-синем поле ЕС-технология имеет явные резервы мощности, по сравнению с АС-технологией.

В области плавной регулировки показатели абсолютной и относительной экономии значительно выше. По сравнению с обычным фазовым управлением ЕС-технология в зависимости от рабочей точки потребляет в 2 раза меньше энергии.

Максимальная производительность гарантирована!

ЕС-вентиляторы имеют точную, очень деликатную и плавную регулировку частоты вращений от 0 до 100%. Благодаря этому обеспечивается единая скорость потока, несмотря на различные по характеристикам препятствия, что позволяет без дополнительного оборудования достигать эффективного воздухораспределения с равномерными скоростями в продукте и во всем объеме зоны хранения .

Благодаря конструкции двигателей с внешним ротором вентиляторы имеют очень компактные размеры . ЕС-двигатель интегрирован непосредственно в крыльчатку, благодаря чему монтажные размеры существенно уменьшаются.

Электроника и двигатель образуют единый узел, не требуется дополнительное оборудование : фильтры ЭМС, экранированные кабели или внешние автоматы защиты двигателя и др.

Затратные согласования при вводе в эксплуатацию также практически не нужны , как и меры по заземлению и экранированию. Поэтому данные вентиляторы для вентиляционных установок, например, как модуль активной вентиляции и микроклимата ПТК "Тургор АМ" , являются настоящим решением "plug-and-play" ("включай и работай"). Такое решение помогает избавиться от большого количества отдельных деталей, делает процесс монтажа удобнее и эффективнее.

Управление работой ЕС-вентиляторов производится через цифровой интерфейс . Это позволяет объединять в сеть большое количество вентиляторов , при этом позволяет очень удобно сбалансировать производительность каждого вентилятора в соответствии с определенными потребностями.

Благодаря этому обращение с техникой существенно упрощается , начиная с конфигурации при вводе в эксплуатацию и заканчивая сервисом, диагностикой неисправностей и техническим обслуживанием.

EC-motors: what, where, why and what for

E. P. Vishnevskiy, Candidate of Technical Science, technical Director, United Elements Group
G. V. Malkov, Product Manager

Specialists today are becoming more oriented on purchasing of energy saving equipment. It is more expensive than traditional, but fully pays back for itself in the process of operation.EC-motors described in the article allow for energy consumption reduction while increasing the equipment performance and time-to-fail.

Keywords: EC-motor,EC-fan, energy saving equipment

Описание:

В настоящее время специалисты все чаще ориентируются на приобретение энергосберегающего оборудования. По сравнению с традиционным оно более дорогое, но полностью окупает себя в процессе эксплуатации. ЕС-двигатели, которым посвящена данная статья, позволяют уменьшить энергопотребление, при этом увеличить производительность оборудования и срок его бесперебойной работы.

EC-двигатели: что, где, почему и зачем

Энергосбережение при применении EC-систем в различных областях

Выводы

Резюмируя все достоинства систем, приобретаемые при использовании EC-технологии, можно выделить главное: EC-вентиляторы с электронным управлением плавно реагируют на изменение требований по выходной мощности, работают в особо экономном режиме частичной нагрузки и нечувствительны к колебаниям напряжения. EC-вентиляторы обеспечивают снижение до 30 % расхода электрической энергии в сравнении с обычными трехфазными AC-вентиляторами.

Литература

1. Вишневский Е. П. Энергосбережение при проектировании систем микроклимата зданий // Сантехника, Отопление, Кондиционирование (С. О.К.). – 2010. – № 1.
2. Вишневский Е. П., Чепурин Г. В. Новые европейские стандарты в области ОВК // Сантехника, Отопление, Кондиционирование (С. О.К.). – 2010. – № 2.
3. ЕС-вентиляторы в тепловых насосах // Сантехника, Отопление, Кондиционирование (С. О.К.). – 2008. – № 6.
4. ЕС-вентиляторы для овощехранилищ и грибных камер // Сантехника, Отопление, Кондиционирование (С. О.К.). – 2010. – № 1.
5. Великолепный климат и низкие энергозатраты с ЕС-вентиляторами в циркуляторах воздуха Airius // Сантехника, Отопление, Кондиционирование (С. О.К.). – 2008. – № 2.
6. The synergy of EC motors and FCUs // Modern Building Services. 2006, August.
7. EC motors for unit coolers // Product Bulletin. 2007, October.
8. ГОСТ-Р 52539-2006. Чистота воздуха в лечебных учреждениях. Общие требования.
9. ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды.

Энергоэффективность оборудования во многом зависит от энергоэффективности использованных в нем компонентов и технических решений. В последнее время стало популярным применение в компрессорах, насосах и вентиляторах двигателей с переменной скоростью вращения.

Повышение эффективности за счет оптимизации используемых компонентов

Наряду с высокоэффективными индукционными двигателями широкое распространение в настоящее время получают двигатели с роторами на постоянных магнитах, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Использующие данную технологию двигатели широко известны в отрасли систем вентиляции и кондиционирования как электронно-коммутируемые двигатели (EC). Как правило, EC-двигатели используются в вентиляторах с внешним ротором.

Чтобы использовать EC-технологию в различных отраслях, компания Danfoss усовершенствовала проверенный временем алгоритм VVC+ и оптимизировала его для работы с синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов. КПД двигателей данного типа, которые часто сокращенно называют двигателями на постоянных магнитах (PM), сравним с КПД EC-двигателей. При этом конструкция PM-двигателей соответствует стандартам IEC , что позволяет легко интегрировать их как в новые, так и в существующие системы и значительно упрощает ввод двигателей в эксплуатацию.

Технология Danfoss EC+ позволяет использовать PM-двигатели, соответствующие стандартам IEC , совместно с частотными преобразователями Danfoss VLT .

Стандарты энергоэффективности

Повышение эффективности работы системы является простым способом сокращения ее энергопотребления. По этой причине Евросоюз утвердил минимальные стандарты энергоэффективности для ряда технических устройств. Так, для трехфазных индукционных двигателей введен стандарт минимальной энергетической эффективности (MEPS ) (см. табл.).

Таблица. Стандарты MEPS для электродвигателей

Однако для достижения максимальной энергоэффективности необходимо уделять внимание производительности системы в целом. К примеру, частое выполнение циклов «пуск/остановка» на двигателях класса IE2 приводит к росту энергопотребления, который сводит к нулю экономию, достигаемую в штатном режиме функционирования.

Особое внимание также необходимо уделять вентиляторам и насосам. Использование преобразователя частоты совместно с устройствами данного типа позволяет добиться более высокой эффективности. Таким образом, определяющим фактором является общая производительность системы, а не производительность отдельных компонентов. В соответствии с VDI DIN 6014 КПД системы определяется как произведение КПД ее составных частей:

КПДсистемы = КПДпреобразователя × КПДдвигателя × КПДсоединения × КПДвентилятора.

В качестве примера можно рассмотреть КПД центробежного вентилятора с внешним ротором, используемого совместно с EC-двигателем. Для достижения компактного размера системы двигатель частично находится внутри рабочего колеса вентилятора. Подобная схема снижает производительность вентилятора и эффективность системы в целом. Таким образом, высокая эффективность двигателя вовсе не гарантирует высокую эффективность всей системы (рис. 1).

Рис. 1. КПД различных систем, использующих центробежный вентилятор диаметром 450 мм. КПД двигателей определен в ходе измерений. КПД вентиляторов получен из каталогов производителей

Принцип работы EC-двигателя

В отрасли систем вентиляции и кондиционирования под EC-двигателем, как правило, понимают особый тип двигателя, обладающий компактным размером и высоким КПД. EC-двигатели работают на основе принципа электронной коммутации вместо традиционной коммутации с использованием щеток, характерной для двигателей постоянного тока. Производители EC-двигателей заменяют обмотку ротора постоянными магнитами. Магниты позволяют повысить эффективность, а электронная коммутация устраняет проблему механического износа щеток. Поскольку принцип работы EC-двигателя аналогичен принципу работы двигателя постоянного тока, такие двигатели часто называют бесколлекторными двигателями постоянного тока (BLDC ).

Двигатели данного класса обычно имеют мощность до нескольких сот ватт. В отрасли систем вентиляции и кондиционирования они чаще всего применяются в виде внешних роторных двигателей и используются в широком диапазоне мощности. Мощность некоторых устройств может достигать 6 кВт.

Рис. 2. Различные типы двигателей

Благодаря встроенным постоянным магнитам двигатели с возбуждением от постоянных магнитов не требуют для возбуждения отдельной обмотки. Однако для работы им необходим электронный контроллер, который генерирует вращающееся поле. Подключение напрямую к линии электропитания, как правило, невозможно или приводит к снижению КПД. Для управления двигателем контроллер (преобразователь частоты) должен уметь определять текущее состояние ротора в любой момент времени. Для этой цели используются два различных метода, один из которых использует обратную связь со стороны датчика для определения текущей позиции ротора, а другой ее не использует.

Рис. 3. Сравнение различных видов коммутации

Отличительной особенностью двигателя с возбуждением от постоянных магнитов является характер обратной электродвижущей силы (ЭДС). В режиме генератора двигатель вырабатывает напряжение, которое называется обратной ЭДС. Для оптимального управления двигателем контроллер должен обеспечивать максимальное соответствие формы сигнала входного напряжения форме сигнала обратной ЭДС. Производители бесколлекторных двигателей постоянного тока используют для этой цели коммутацию по прямо­угольному импульсу (рис. 3).

PM-двигатели в качестве альтернативы EC-двигателям

Каждый тип двигателя на постоянных магнитах обладает своими преимуществами и недостатками. PM-двигатели с синусоидальной коммутацией проще в структурном плане, но им требуется более сложная схема управления. В случае EC-двигателей ситуация диаметрально противоположная: создание прямоугольного сигнала обратной ЭДС является более сложной задачей, но структура схемы управления значительно упрощается. Однако для технологии электронной коммутации характерна более высокая неравномерность крутящего момента по причине использования коммутации по прямоугольному импульсу. Двигатели данного типа также используют в 1,22 раза более высокое напряжение в сравнении с PM-двигателями по причине использования двух фаз вместо трех.

Рис. 4. Эквивалентные схемы двигателей

Использование в двигателе постоянных магнитов (рис. 4) практически полностью устраняет потери на роторе, что приводит к повышению эффективности.

Преимущества EC-двигателей с точки зрения эффективности в сравнении с традиционными однофазными индукционными двигателями с расщепленными полюсами оказываются наиболее значительными в диапазоне мощности нескольких сот ватт. Трехфазные индукционные двигатели, как правило, обладают мощностью свыше 750 Вт. Преимущество в эффективности со стороны EC-двигателей уменьшается по мере роста номинальной мощности оборудования. Системы на основе EC-двигателей и PM-двигателей (электроника плюс двигатель) при схожих конфигурациях (источник питания, электромагнитный фильтр и т. д.) обладают сопоставимыми КПД.

В настоящее время широко распространены трехфазные индукционные двигатели со стандартными установочными размерами и размерами рамы, определенными в стандартах IEC EN 50487 или IEC 72. Однако многие PM-двигатели используют другие стандарты. В качестве типичного примера можно рассмотреть сервоприводы. Обладающие компактным размером и длинным ротором серво­приводы оптимизированы для приложений с высокой динамикой.

В настоящее время доступны PM-двигатели со стандартными размерами рамы, соответствующими IEC , что позволяет использовать в существующих системах высокоэффективные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Это позволяет заменить старые трехфазные индукционные двигатели (TPIM ) более эффективными PM-двигателями.

Существуют два типа PM-двигателей, соответствующих стандартам IEC:

Вариант 1. Двигатели типа PM/EC и TPIM имеют одинаковый размер рамы.

Пример. Двигатель типа TPIM мощностью 3 кВт может быть заменен двигателем типа EC/PM аналогичного размера.

Вариант 2. Двигатель типа PM/EC с оптимизированным размером рамы и двигатель типа TPIM обладают одинаковой номинальной мощностью. В связи с тем что PM-двигатели обычно имеют более компактный размер при сравнимом уровне мощности, размер рамы оказывается меньше, чем для двигателя типа TPIM .

Пример. Двигатель типа TPIM мощностью 3 кВт может быть заменен двигателем типа EC/PM с размером рамы, соответствующим двигателю типа TPIM мощностью 1,5 кВт.

Технология EC+

Технология Danfoss EC+ появилась в ответ на требования клиентов. Она позволяет использовать PM-двигатели совместно с частотными преобразователями Danfoss. Клиенты имеют возможность выбрать двигатель любого производителя. Таким образом, они получают все преимущества технологии EC по сравнительно низкой цене, не теряя при этом возможности оптимизации всей системы по мере необходимости.

Сочетание наиболее эффективных отдельных компонентов в рамках одной системы также предоставляет целый ряд преимуществ. За счет использования стандартных компонентов клиенты оказываются независимыми от поставщиков и имеют свободный доступ к запасным частям. Не требуется выполнять подгонку установочных соединений при замене двигателя. Ввод двигателя в эксплуатацию аналогичен вводу в эксплуатацию стандартного трехфазного индукционного двигателя.

Преимущества технологии EC+

Рис. 5. Сравнение размеров
стандартного трехфазного
индукционного двигателя
(снизу) и оптимизированного
PM-двигателя (сверху)

К преимуществам технологии EC+ можно отнести следующие факторы:

• Возможность выбора используемого типа двигателя (двигатель на постоянных магнитах или асинхронный двигатель).
• Схема управления двигателем остается неизменной.
• Независимость от производителя в выборе компонентов двигателя.
• Высокая эффективность системы достигается благодаря использованию высокопроизводительных компонентов.
• Возможность модернизации существующих систем.
• Широкий диапазон значений номинальной мощности двигателей.
• Заметно сниженные массогабаритные показатели оборудования (рис. 5).

Помимо перечисленных выше преимуществ следует также отметить еще одну особенность технологии EC+. Дело в том, что обычные электронно-коммутируемые вентиляторы не могут обеспечить производительность выше номинальной, так как имеют ограничение по частоте вращения. В то же время вентиляторы, построенные по архитектуре ЕС+, могут быть разогнаны до скорости вращения рабочего колеса выше номинальной. На практике это означает возможность увеличения расхода воздуха выше номинального.

Кроме того, работа двигателей ЕС+ может контролироваться по сетевым протоколам BACnet, ModBus и другим.

Технология EC+ с точки зрения конечных пользователей

Отдельно следует сказать о взгляде на технологию EC+ с точки зрения конечных пользователей (как правило, это специалисты по проектированию, монтажу и эксплуатации систем вентиляции):

Знакомая технология. Многие специалисты уже давно используют стандартные двигатели серии Danfoss VLT HVAC Drive. Конфигурация PM-двигателей является практически идентичной. Пользователю достаточно ввести новые параметры двигателя в систему управления зданием. Принцип контроля работы двигателя остается при этом неизменным. Таким образом, управление двигателями различного типа в рамках одной системы не составляет труда. Также существует возможность замены стандартного индукционного двигателя на PM-двигатель.

Независимость от производителя. Пользователи обладают гибкостью в настройке систем благодаря возможности выбора стандартных компонентов различных производителей. Оптимальная производительность систем. Единственным способом достижения оптимальной производительности является использование наиболее эффективных компонентов. Пользователи, желающие добиться максимальной экономии электроэнергии, должны не только использовать эффективные компоненты, но также иметь в своем распоряжении эффективную систему, построенную на базе этих компонентов.

Низкая стоимость технического обслуживания. Недостатком интегрированных систем часто является невозможность замены отдельных компонентов. Изношенные детали (например, подшипники) далеко не всегда можно заменить, не меняя сам двигатель, что может приводить к серьезным затратам. Принцип работы технологии EC+ предполагает использование стандартных компонентов, которые пользователь может менять независимо друг от друга. Это позволяет свести к минимуму расходы на обслуживание системы.

Таким образом, технология EC+ видится весьма перспективной в свете современных тенденций энергосбережения и повышения степени контролируемости и управляемости различных элементов инженерных подсистем здания. Свою роль должна сыграть и универсальность технологии - возможность ее применения на ранее установленном оборудовании.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»

В статье использованы материалы из технической документации компании Danfoss.