Przez rosnące ceny energii ustawicznie wzrasta popyt na wysokosprawne wentylatory. Unia Europejska w ramach wymagań ErP (Energy related Products) określiła wymagane minimalne współczynniki sprawności wentylatorów, które są wprowadzane w dwóch etapach. Pierwszy etap obowiązuje już od 01.01.2013, drugi będzie obowiązywał od 01.01.2015.

Spełnienie wartości granicznych wymaga wysokosprawnych napędów wentylatorów i aerodynamicznie dopasowanych do nich wirników. Silniki EC – elektronicznie komutowane silniki prądu stałego – osiągają sprawności do 90%.

Rys. 1. Straty mocy silnika AC

Dlaczego silniki EC są bardziej efektywne niż konwencjonalne asynchroniczne silniki prądu przemiennego?

Silnik EC jest silnikiem synchronicznym z wbudowanymi w wirnik magnesami stałymi. W bezszczotkowym silniku prąd jest komutowany w uzwojeniu stojana w określonym położeniu wirnika. Silnik synchroniczny odznacza się tym, że wirnik obraca się z tą samą prędkością, co pole magnetyczne wzbudzenia. Nie występują straty poślizgowe w porównaniu do konwencjonalnych silników asynchronicznych, gdzie prędkość wirowania pola magnetycznego wzbudzenia jest większa od prędkości obrotowej wirnika. Poślizg jest wymagany w silnikach asynchronicznych do generowania pola magnetycznego wirnika. W silnikach ECBlue Ziehl-Abegg, wymagane pole magnetyczne jest osiągane przy zastosowaniu tradycyjnych magnesów ferrytowych, nie są stosowane magnesy ziem rzadkich.

W silnikach EC firmy Ziehl-Abegg niezbędna elektronika sterująca jest zintegrowana bezpośrednio z silnikiem i tworzy kompaktowy napęd. Zintegrowana elektronika sterowania działa podobnie jak przemiennik częstotliwości – napięcie z sieci jest prostowane i magazynowane w układzie prądu stałego. Elektronika ECblue przeznaczona jest do zasilania 50/60Hz w szerokim zakresie napięć, np. 380 ... 480V. Dlatego silniki mogą być stosowane na całym świecie bez dodatkowych wersji wykonania. Końcowy stopień mocy sterowania zasila uzwojenia silnika odpowiednim napięciem i częstotliwością. Odczyt położenia wirnika odbywa się za pomocą zintegrowanych czujników. Parametry pracy silnika są optymalnie dostosowane do żądanego punktu pracy w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności energetycznej.

W systemach chłodniczych pełną moc chłodzenia (obliczeniową) nie wykorzystuje w ciągu całego roku – maksymalna wydajność chłodzenia jest potrzebna tylko w ciągu kilkunastu dni gorącego lata. W pozostałym okresie prędkość wentylatora jest zmniejszona. W przeszłości do kontroli prędkości wentylatorów szeroko stosowany był tani i łatwy sposób napięciowej regulacji obrotów. Metoda ta wymaga silników asynchronicznych prądu zmiennego o dużym poślizgu, tak zwane miękkie silniki, aby zapobiec uszkodzeniu silnika pracującego przy częściowym obciążeniu i wzroście prądu silnika. Większy poślizg silnika związany jest z obniżeniem jego sprawności. Tak zwane twarde silniki, tzn. silniki z małym poślizgiem, mogą być sterowane tylko za pomocą zmiany częstotliwości.

Rys. 2. Straty mocy silnika EC

Różne koncepcje regulacji przepływu dla skraplacza

Na wstępie warto podkreślić, iż napędy EC szczególnie pozwalają na osiągnięcie oszczędności energetycznych przy obciążeniach cząstkowych, gdyż parametry pracy silnika optymalnie dostosowują się do wymaganego punktu pracy.

Jeżeli rozpatrzymy skraplacz z 10 wentylatorami o mocy 1 kW każdy, to uzyskuje się całkowity pobór mocy wszystkich wentylatorów równy 10 kW. Przy założonym równym poborze mocy wymagane jest jedynie 50% maksymalnego przepływu czynnika chłodniczego. Zależność przepływu od liczby obrotów ma charakter liniowy.

Istnieją następujące koncepcje regulacji przepływu w skraplaczach:

• kaskadowe załączanie wentylatorów, tj. wyłączanie poszczególnych wentylatorów,
• regulacja prędkości obrotowej poprzez regulację napięcia,
• regulacja prędkości obrotowej poprzez dopasowanie częstotliwości (przetwornik częstotliwości lub regulator EC).

Rys. 3. Konstrukcja silnika EC

Przy regulacji kaskadowej i napięciowej pobór mocy liniowo zmienia się z liczbą obrotów. Ponadto regulacja napięciowa wymaga specjalnych silników, które mają gorszą sprawność. Przy regulacji za pomocą przetworników częstotliwości pobór mocy zmienia się proporcjonalnie do sześcianu liczby obrotów. Zaletą silników EC w porównaniu z asynchronicznymi silnikami prądu zmiennego sterowanych przetwornikiem częstotliwości jest to, że przy tej metodzie uzyskuje się wyższą sprawność. Przy regulacji kaskadowej po odłączeniu 5 wentylatorów uzyskuje się redukcję poboru mocy, równą 50%. To samo uzyskuje się przy redukcji napięcia we wszystkich 10 wentylatorach, przy czym w tym samym punkcie pracy sprawność silników EC jest wyższa o 20% od tejże w silnikach asynchronicznych prądu zmiennego.

Podkreśla to zaletę wentylatorów z napędem EC, zwłaszcza w warunkach niepełnego obciążenia. W przedstawionym przykładzie, pobór mocy wentylatorów w urządzeniu chłodniczym może być zredukowany o 80% w porównaniu z wentylatorami regulowanymi poprzez zmianę napięcia. Dzięki temu, w ciągu krótkiego czasu amortyzują się wyższe koszty inwestycyjne.

Rys. 4. Modularny układ elektroniczny rozszerzany o moduł ADD-ON

Rozwiązanie ECblue

W przeszłości występowały zastrzeżenia wobec stosowania silników EC ze względu na nakład energetyczny na rozruch i niezawodność w porównaniu z silnikami prądu zmiennego (AC).

Układ elektroniczny ECblue został wykonany jako podstawowe rozwiązanie regulatora obrotów o zakresie napięcia 0…10V lub przy sygnale PWM (Pulse Width Modulation). Poprzez tak zwany moduł ADD-ON-Module można rozszerzyć funkcjonalność np. do zakresu Closed-Loop. Dzięki takiej modularnej budowie układu elektronicznego można w prosty sposób doposażyć istniejące urządzenia z wentylatorami EC w dodatkowe funkcje. Za pomocą modułu ADD-ON-Module można spełnić także specjalne wymagania klienta w zakresie regulacji.

Wykonanie podstawowe umożliwia bardzo prosty rozruch, który nie różni się w istotny sposób od rozruchu dotychczasowych wentylatorów z silnikiem prądu zmiennego. W porównaniu z wentylatorem AC należy zainstalować dodatkowy przewód, a ponadto nie występują tu dodatkowe nakłady energetyczne na rozruch, tzn. nie potrzeba tu programowania.

Przy silnikach ECblue nie występują dodatkowe nakłady na instalację, a wymagane filtry dla potrzeb utrzymania działania elektroniki i zabezpieczenia przed zakłóceniami są wbudowane w system bez dodatkowych nakładów. Ochrona silnika i aktywne zarządzanie temperaturą dla zabezpieczenia przed przegrzaniem zostały również wbudowane standardowo. Aktywne zarządzanie temperaturą oznacza, że system elektroniczny automatycznie redukuje obciążenie w razie przekroczenia dopuszczalnej temperatury.

Ziehl-Abegg wyposaża wentylatory z napędem ECblue w specjalny system, tzw. Status LED. Jest on widoczny przez okienko w pokrywie i pokazuje aktualny stan pracy silnika poprzez odpowiedni kod światła pulsującego. Istnieje zatem możliwość wglądu w układ bez otwierania obudowy. Ponieważ dioda ta pokazuje także np. zakłócenia w dostarczaniu napięcia, można te zakłócenia usunąć bez otwierania silnika. Oszczędza się przez to na czasie i na kosztach serwisowych.

Rys. 5. Osłona układu elektronicznego

Podsumowanie

Aby wykazać trwałość i niezawodność silników EC i ich przewagę nad dotychczasowymi silnikami AC, silniki ECblue zostały poddane najcięższym próbom przed rozpoczęciem produkcji seryjnej. Do badań zalicza się: ochronę IP, odporność na mgłę solankową i na pył, a także testy w najtrudniejszych warunkach klimatycznych.

W celu poprawy niezawodności elektroniki sterującej, cały system elektroniczny został zalany masą izolacyjną. Chroni ona obwody przed wilgocią, zapyleniem i wibracjami. Ponadto, prowadzi to do lepszego odprowadzenia ciepła do obudowy stojana. Dzięki temu można w tej samej przestrzeni osiągnąć wyższą moc.

Ziehl-Abegg oferuje szerokie spektrum wydajności wentylatorów osiowych i odśrodkowych z silnikami ECblue. Dzięki możliwości kombinacji różnych wariantów elektroniki, silników i wirników, można w dowolnym momencie znaleźć najlepsze rozwiązanie dla danego zastosowania

Moritz KRÄMER