Вентилаторна техника 2.0. Напредъкът на ЕС – Моторите

ВЕНТИЛАТОРНА ТЕХНИКА 2.0. НАПРЕДЪКЪТ НА ЕС – МОТОРИТЕ
автор: Инж. Маркус Бест, Ръководител търговско направление TGA, Helios Ventilatoren
август 2012

Електронно комутираните вентилаторни мотори са на път да се превърнат в стандарт във вентилационната техника: те осигуряват безстепенно, плавно, почти линейно регулиране през целия обхват на работните честоти, предлагат значително по-високи КПД, работят без износване и без необходимост от поддръжка. Освен това дори още днес изпълняват бъдещите изисквания на ErP 2013 и  ErP 2015. Вероятните по-високи инвестиционни разходи ще се възвърнат за съвсем кратко време въз основа на максимално ефективния начин на работа.

Почти никоя друга тема не доминира толкова много в социалното ежедневие, както повишаването на енергийната ефективност, съответно намаляването на консумацията на енергия.  Това става очевидно от множеството директиви и закони с все по-нарастващо въздействие върху индустрията и крайните потребители: така например през 2005 г.  Европейският съюз прие “Energy using Products Directive”  (директива EuP), която през 2009 година беше преименувана на “Директива ErP „ (Energy related Products Directive” – в Германия по-известна като „Директива за екологичен дизайн”. В нея се определят потенциалът за икономии на използващи електро енергия продукти и минималните изисквания. Първите изисквания на законодателството вече достигнаха и до крайните потребители, като например забраната за ползване на конвенционалните електрически крушки. Още по – забелижими стават и консеквенциите на различните предписания при техническото сградно оборудване и по-специално във вентилационната и климатизационна техника. Тъй като един значителен дял от европейските общи енергийни нужди от 410 TWh всяка година се изконсумира от вентилатори. Законови   предписания като ErP 2013 и  ErP 2015 целят да минимизират тези консумации значително. В първия етап на ErP, от началото на 2013, около 30% от днес разпространените на пазара на  Европейския съюз вентилатори ще изчезнат. Изострянето на енергийните претенции чрез ErP 2015 две години по-късно ще доведе до още 20%. От това се засягат най-много почти всички вентилатори от  клас на мощност  125 W до 500 kW. Тези драстично увеличени изисквания за ефективност са придружени от огромни изисквания към вентилационната и климатичната индустрия.

Чрез използването на електронно комутираната задвижваща технология (Electronically Commutated = ЕС) е възможно още днес, в областта на вентилационната техника да се спестява значителна енергия, изпълнявайки високите изисквания. Това дава основание да се предположи, че този нов вид мотори ще се наложи и ще се превърне в стандарт в вентилационната техника – така, както преди известно време това се случи с помпените съоръжения: В техният случай задвижването с помощта на мотор с постоянен магнитен ток отдавна стана ежедневие.  Федерални и регионални стимулиращи програми допринасят за подмяната на старите отоплителни циркулационни помпи с по – ефективни помпи и ускоряват налагането им на пазара.

ЕС – моторите са безчеткови постоянно токови мотори с шунтова характеристика, които са конструирани специално за приложение във вентилационни и климатични инсталации.

Как функционират ЕС – двигателите?

Принципно при един ЕС – двигател се касае за един постояннотоков мотор, но традиционният  комутатор с четки за преобразуване на енергията е заменен от една електронна платка.  Поради това и този тип мотори се наричат „електронно комутирани мотори”. Освен това статорът и роторът са разменени. Следователно не става въпрос за двигател с вътрешен, а с външен ротор. Под това се разбира, че магнитното поле се получава от един кръгов постоянен магнит в ротора.  Статорният пакет с намотките е свързан неподвижно към капака на лагера на двигателя.. За разлика от обикновените АС – двигатели (променливотокови мотори) (АС = Alternating Current) той не се върти. Разположението на постоянният магнит в ротора се следи от три сензора  и се анализира от интегрирана в мотора електроника.

Фиг. 1. При АС – моторите, загубите в КПД трябва да се отчитат, при ЕС – моторите – не.

Фиг. 2. При намаляване на напрежението ЕС – двигателите изпреварват значително АС – моторите по параметъра енергоспестяване.

Многобройните силни страни

Въз основа на ъгловото положение на ротора и на желаната посока на движение електрониката подава енергия към съответните намотки, за да произведе необходимите въртящи моменти.  Чрез електронното комутиране, освен в лагеруването, не се появява износване. Времето между две инспекции на мотора по този начин се определя само от лагеруването – ако са използвани съчмени лагери с дълъг живот, може да се очаква и  много дълъг живот и на самия вентилатор.  ЕС – двигателите са характерни и с тихия си ход: Смущаващият шум на мотора от триещи се в  ротора четки и бръмченето от намагнетизирването от степенния трансформатор при регулирането на оборотите  изчезват напълно при тази технология.

При регулируемостта АС – двигателите се подобряват с така нареченото „омекотяване”. Един „мек АС – мотор” се разбира като синоним за двигател с висока разлика в оборотите между статора и ротора.

Чрез оптимизиране на регулируемостта обаче трябва да се примирим с намаляването на КПД.

Коефициентът на полезно действие на един двигател се дефинира от съотношениетно на механичната изходна мощност и електрическата входяща мощност.

Фиг. 3. Тъй като в голямата си част вентилаторите работят с регулиране на оборотите, чрез използване на ЕС – вентилатори може да се постигне намаляване наполовина на експлоатационните разходи.

ЕС – центробежният венттилатор „GigeBox“ от Хелиос вентилатори достига при регулиране на оборотите  икономия на енергия от 65% в сравнение с обикновените АС – вентилатори.

За разлика от ЕС – двигателя, който работи почти без загуби, при АС – двигателя се появяват допълнителни загуби, свързани от товара, намотките, ротора, статора, както и от триенето. При работа с пълен товар (максимални обороти) разликата между  АС – и ЕС – технологията  евентуално все още не е толкова голяма, но при режим на частичен товар разликата в ефективността е повече от значителна: докато Моторния коефициент на полезно действие при ЕС – моторите остава почти непроменен, кривата на КПД при АС – моторите  в режим на частичен товар се пречупва съществено (виж фиг. 1).

Нормално венткилацонните и климатични инсталации се експлоатират спрямо нуждите. Необходимостта от вентилация се определя въз основата на различни фактори (напр. температура на въздуха, влага, съдържание на СО₂, и.т.н.) и от тук се извежда и необходимият обемен поток от свеж въздух. Подобно на отоплителните инсталации оразмеряването на инсталацията става на базата на „Worst – Case” анализ. Това означава:  една инсталация се оразмерява при най-пълна натовареност. В по-голямата си част обаче тя се експлоатира при частично натоварване. Особено тук, ясно се проявява предимството на ЕС – техниката.  Докато стандартните АС – двигатели  могат да се управляват при частичен товар със степенни трансформатори или триаци, при ЕС – моторите регулиращите компоненти са интегрирани в комутиращата електроника.  Така, за регулиране на оборотите е необходим само един 0-10V управляващ сигнал (потенциометър за оборотите).  Вече интегрираната в мотора електроника позволява допълнителни варианти на регулиране  като постоянно регулиране на налягането или дебита.  За тази цел се предлагат универсални регулиращи уреди на приемлива цена.

Фигура 2 показва характеристиката на оборотите та АС- и ЕС – мотори при намаляване на напрежението. ЕС – двигателят привлича вниманието с почти пропорционалната си крива (% напрежение = % обороти), АС – двигателят за разлика от това е значително по-слаб.

От тук може да се изведе и консумацията на енергия в границите на регулиране. Таблица 3, както и примерното изчисление в таблица 1 (виж и фиг.3) представят високия потенциал за икономии: Докато разликата в консумираната мощност в границите на номиналните обороти е около 30%, това разстояние при режим с регулиране на оборотите се повишава до около 50%.

Таблица 1: Примерно изчисление за представяне на потенциала за икономии.

Фиг.4. От примерното изчисление в таблица 1 става ясно: до 30% икономия на енергия в режим на пълен товар и до над 50% при регулиране на оборотите чрез прилагане на ЕС – технологията

По отношение на инвестиционните разходи вентилаторни уреди с АС – двигател предлагат едно предимство – това се отнася обаче само до вентилатора. Ако се вземе допълнително предвид и необходимото обикновено регулиране на оборотите, вероятното предимство бързо ще се компенсира: много често АС – двигателите  се регулират по обороти с помощта на скъпи трансформаторни степенни превключватели или честотни преобразуватели. За разлика от това при ЕС – вентилаторите мрежовото напрежение се свързва директно към мотора и чрез интегрираната в него електроника се преобразува в съответното постоянно напрежение. За регулиране на оборотите е необходим още само един управляващ сигнал (0-10 V) от датчика за зададена стойност. Като полеви уреди се използват евтини потенциометри. Ако се направи сравнение между общите разходи за всички необходими компоненти на вентилаторната инвестиция (АС = вентилатор + трансформаторен степенен превключвател + честотен преобразувател; ЕС = вентилатор + потенциометър) те почти са изравнени. Най-късно при прехвърляне на разходите в работния цикъл (Life Cycle Costing) вентилаторните системи с ЕС – задвижващи технологии притежават необорими предимства.  И при изчислението на амортизациите се явява кратко амортизационно време – ако наред с високите разходи по набавянето се вземат предвид  и икономическото решение за управление, както и ниските инсталационни разходи.

Резюме

При изграждането и експлоатацията на вентилационни инсталации ЕС – задвижващата технология предлага множество предимства като например максимално достигане на КПД в режим на работа с частичен товар, безстепенно линейно регулиране, интегрирана регулираща електроника, безшумна и спокойна работа, както и универсална приложимост в широки граници на напрежение. Вентилаторите с ЕС – технология още днес отговарят на бъдещите предписания на ErP 2013 и  ErP 2015. Вероятните по-високи инвестиционни разходи ще се възвърнат за съвсем кратко време въз основа на максимално ефективния начин на работа. Всичко това ще допринесе за това, че още днес често прилаганата технология, а и за в бъдеще – преди всичко в ниските и средни граници на мощността – ще остане почти без алтернатива.