Co to jest silnik EC?
Silniki komutowane elektronicznie (EC) są przeznaczone do zasilania prądem przemiennym (AC), ale w rzeczywistości są bardziej podobne do silników prądu stałego (DC). Są to zasadniczo bezszczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi ze zintegrowaną elektroniką pokładową.
Dodana elektronika pozwala silnikom EC łączyć najlepsze cechy silników prądu przemiennego i stałego, a następnie je ulepszać. Dlatego silniki EC są klasą samą w sobie.
Dzięki zastosowaniu tej technologii wentylatory EC są bardzo wydajne i zwracają się poprzez niższe koszty eksploatacji i dłuższą żywotność. Oferują również pewne korzyści operacyjne, które często są pomijane.
Projekt silnika
wirnik wewnętrzny i wirnik zewnętrzny
Silniki elektryczne są dostępne w wielu kształtach i rozmiarach, przy czym tradycyjnym stylem jest konfiguracja z wewnętrznym wirnikiem. Stojan (część stacjonarna) silnika z wirnikiem wewnętrznym jest przymocowany do obudowy silnika. Wirnik (część obrotowa) znajduje się wewnątrz stojana i przenosi moment obrotowy przez wał wyjściowy. Wirnik wentylatora jest zwykle przymocowany do obracającego się wału.
Silniki z wirnikiem zewnętrznym mają zasadniczo odwrotny kierunek, a wirnik wiruje na zewnątrz stojana. Eliminuje to potrzebę stosowania wału wyjściowego i znacznie zmniejsza całkowitą powierzchnię zespołu silnika i wirnika. Wirnik wentylatora można przymocować bezpośrednio do wirnika zewnętrznego, tworząc skutecznie wirnik napędzany silnikiem.
AC kontra DC kontra EC
Wszystkie silniki elektryczne mają tę samą funkcję przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną, ale robią to inaczej. Zastosowana metoda zależy w dużej mierze od mocy dostarczanej do silnika, ponieważ wpływa to na sposób wytwarzania i kontrolowania jego pola magnetycznego. Dlatego silniki są zwykle klasyfikowane jako AC, DC lub EC. W przemyśle wentylatorów powszechnie stosuje się silniki indukcyjne prądu przemiennego, silniki szczotkowe prądu stałego i silniki z magnesami trwałymi EC.
Silniki indukcyjne prądu przemiennego mają uzwojenia elektryczne w stojanie, które dostarczają prąd przemienny w celu wytworzenia wirującego pola magnetycznego. Pole magnetyczne stojana indukuje prąd w przewodzącym wirniku klatkowym, a interakcja między dwoma polami generuje moment obrotowy na wirniku.
Ponieważ częstotliwość sieci jest stała, silniki prądu przemiennego mają ograniczony zakres prędkości, dlatego są zaprojektowane do pracy w punkcie szczytowej sprawności na krzywej wydajności.
Powyżej tego zakresu wydajność ma tendencję do znacznego spadku. Przemienniki częstotliwości (VFD) mogą służyć do zwiększania lub zmniejszania częstotliwości zasilania prądem przemiennym, ale są one zwykle nieporęczne i drogie. Właśnie dlatego silniki prądu przemiennego najlepiej nadają się do zastosowań, które nie wymagają zmiennej prędkości.
Silniki szczotkowe prądu stałego wykorzystują magnesy trwałe w stojanie, aby zapewnić stałe pole magnetyczne. Uzwojenia elektryczne w wirniku indukują napięcie i podlegają wpływowi pola magnetycznego stojana. Zmiana napięcia zasilania może ułatwić kontrolę prędkości silników prądu stałego niż silników prądu przemiennego.
Ponieważ działają na prąd stały, do zmiany kierunku prądu służą szczotki węglowe i pierścienie komutatora. Zużycie tych części mechanicznych powoduje głośniejszy hałas podczas pracy i krótszą żywotność. Ponadto zasilacze prądu stałego nie są tak powszechne jak kiedyś, więc zakup osobnego prostownika prądu przemiennego na prąd stały oznacza dodatkowy koszt i złożoność.
Silniki EC wykorzystują magnesy trwałe i uzwojenia elektryczne do generowania pola magnetycznego w sposób podobny do szczotkowanego silnika prądu stałego. Jednakże, jak sama nazwa wskazuje, są one komutowane elektronicznie, a nie mechanicznie. Jest to możliwe jedynie poprzez zintegrowanie elektroniki pokładowej z obudową silnika EC.
Wbudowana elektronika zawiera prostownik przekształcający prąd przemienny na prąd stały. Zintegrowany sterownik kieruje następnie odpowiednią ilość prądu przez każde uzwojenie we właściwym kierunku i we właściwym czasie. W ten sposób powstają w stojanie bieguny magnetyczne, które oddziałują z magnesami trwałymi w wirniku. Położenie każdego magnesu jest określane za pomocą czujników Halla. Odpowiednie magnesy są z kolei przyciągane do biegunów stojana. Jednocześnie pozostałe uzwojenia stojana są ładowane z odwrotną polaryzacją. Te siły przyciągające i odpychające łączą się, aby osiągnąć obrót i wygenerować optymalny moment obrotowy. Ponieważ wszystko odbywa się elektronicznie, możliwe jest precyzyjne monitorowanie i sterowanie silnikiem.
Zalety silników EC
efektywność energetyczna
Silniki EC mają zazwyczaj ponad 90% sprawności w porównaniu z tradycyjnymi wentylatorami, co zmniejsza zużycie energii przez wentylatory EC nawet o 70%.
Dostosowując prędkość silników EC do zapotrzebowania, potencjał oszczędności energii stale rośnie. Poniżej pokazano typowe sprawności silnika indukcyjnego prądu przemiennego o mocy 5 KM i prędkości obrotowej 1800 obr./min oraz równoważnych silników EC.
Nawet w porównaniu do trybu włączania/wyłączania, modulacja prędkości zapewniana przez wentylatory EC jest znacznie wydajniejsza. Na przykład uruchomienie wentylatora EC przez 80% czasu pozwala zaoszczędzić 20% energii, podczas gdy jego praca z prędkością 80% pozwala zaoszczędzić prawie 50% energii.
Jest to możliwe tylko dzięki technologii EC, która zapewnia bardzo wysoką wydajność w szerokim zakresie prędkości. Najbardziej oczywistą korzyścią wynikającą z wysokiej wydajności jest zmniejszone zużycie energii. Biorąc pod uwagę rosnące ceny energii, jest to kluczowy czynnik do rozważenia. Aby zobrazować jego znaczenie, poniżej podano przykład oszczędzania energii przy prędkości 50%. W tym przykładzie założono średni koszt wynoszący 0,115 USD/kWh, wydajność przetwornicy częstotliwości (VFD) wynoszącą 86% i ciągłą pracę silnika.
Choć roczne oszczędności mogą wydawać się nieistotne, należy pamiętać, że dotyczy to wymiany pojedynczego wentylatora i nie uwzględnia innych strat, takich jak przewody czy paski. Oprócz niższych kosztów operacyjnych kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, są możliwe rabaty na media. Wysoka wydajność niesie ze sobą także szereg korzyści drugorzędnych i trzeciorzędnych, jak pokazano na poniższym rysunku.
Jedną z korzyści wysokiej sprawności jest zmniejszenie strat energii do środowiska. Straty te zwykle mają postać ciepła i dźwięku. Ponieważ silniki EC wytwarzają mniej ciepła, ich uzwojenia i łożyska są poddawane mniejszym obciążeniom, co wydłuża żywotność silnika. Niższa temperatura robocza przyczynia się również do wyższej wydajności systemu w zastosowaniach chłodniczych. Jednocześnie cichsza praca poprawia komfort użytkowników.
Łatwe do kontrolowania
Wysoka sprawność silników EC wynika głównie ze zintegrowanej elektroniki. Wydajność jest utrzymywana w całym zakresie prędkości roboczych dzięki ciągłemu monitorowaniu funkcji silnika i automatycznej regulacji wejść sterujących. Silniki EC są zazwyczaj w stanie obniżyć do 20% pełnej prędkości, zachowując jednocześnie wydajność na poziomie 85%.
Czujniki generujące sygnały 0-10 V, PWM lub 4-20 mA można podłączyć bezpośrednio do większości silników EC. Zapewnia to kontrolę prędkości bez konieczności stosowania skomplikowanych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD).
W zależności od zastosowania można wdrożyć metody sterowania w pętli otwartej i zamkniętej. Wentylatory z silnikami EC mogą kontrolować temperaturę, ciśnienie lub wybierać dowolny parametr do pomiaru. Sterowanie stałym ciśnieniem jest szczególnie przydatne w zastosowaniach rurociągowych, natomiast sterowanie stałym przepływem powietrza jest idealne w zastosowaniach filtracyjnych. Alternatywnie można podłączyć potencjometr, aby zapewnić ręczną regulację zmiennej prędkości.
Wszechstronność
Maksymalna prędkość konwencjonalnych silników indukcyjnych prądu przemiennego jest ograniczona do standardowej wartości znamionowej zwanej prędkością synchroniczną. Jest to prędkość teoretyczna oparta na liczbie biegunów elektromagnetycznych i częstotliwości zasilania.
Z drugiej strony silniki EC mogą przekraczać prędkość znamionową. Dzięki temu wentylatory z silnikami EC mogą osiągać wyższe wydajności w mniejszych zestawach wentylatorów, jak pokazano poniżej. Rozszerzony zakres pracy wentylatorów EC pozwala na łatwe dopasowanie wydajności do konkretnego zastosowania. Wysoka wydajność silnika EC w połączeniu z możliwością utrzymania wydajności przy częściowym obciążeniu umożliwia jednemu wentylatorowi EC zastąpienie konwencjonalnych wentylatorów wielu typów i rozmiarów.
Zastosowanie silnika EC w klimatyzacji
Wszyscy uważają, że klimatyzatory zawsze potrzebują dużo energii elektrycznej, ponieważ silnik klimatyzatora potrzebuje dużo energii do działania. Dlatego od dłuższego czasu kierunek modernizacji klimatyzatorów polega na badaniach silników klimatyzatorów. „Silnik EC” stał się ważnym kierunkiem modernizacji struktury produktowej silników klimatyzacyjnych. Posiadamy nie tylko silniki EC do klimatyzatorów, ale także silniki EC do chłodnic powietrza, silniki EC do wentylatorów z zewnętrznym wirnikiem.
Główna konstrukcja napędowa silnika EC składa się z napędu i silnika; nasze bezszczotkowe silniki prądu stałego mają zazwyczaj moc 50W-4000W i napięcie 220V/380V.
Zalety silników bezszczotkowych w zastosowaniach:
1. można uzyskać szerszy zakres prędkości płaskich. Bezszczotkowe silniki prądu stałego są łatwiejsze w sterowaniu i mają szerszy zakres prędkości. Jest to prawdziwy bezstopniowy system regulacji prędkości, który może dowolnie regulować wydajność chłodniczą układu chłodniczego.
2. W procesie regulacji prędkości charakter obciążenia w obwodzie silnika nie zmienia się, generowane są mniej harmonicznych, mniejszy wpływ na sieć energetyczną i większa oszczędność energii.
3. Podczas pracy wzrost temperatury jest stosunkowo niski, czyli o około 20% niższy niż w przypadku sterowania częstotliwością silnika asynchronicznego prądu przemiennego.
4. System kontroli prędkości charakteryzuje się wysoką niezawodnością i dobrą dynamiką. Silnik EC charakteryzuje się wysoką niezawodnością i nie zmienia wydajności obwodu obciążenia podczas procesu regulacji, dzięki czemu system jest bardziej stabilny.
Z charakterystyki silników bezszczotkowych wynika, że oszczędność energii, redukcja hałasu, precyzyjna regulacja temperatury i bezstopniowa regulacja prędkości stanowią istotne ulepszenia wydajności systemów chłodniczych.
