4. Енергозбереження при застосуванні EC-систем в різних областях

ЄС-технологія або двигун з частотним перетворювачем?

Стаття АВОК про ЄС двигунах
В даний час при проектуванні систем опалення, вентиляції та кондиціонування все більше уваги приділяється питанням енергозбереження.

Все частіше фахівці орієнтуються на придбання енергозберігаючого обладнання. У порівнянні з традиційним воно дорожче, але повністю окупає себе в процесі експлуатації. ЄС-двигуни, котрим присвячується означена стаття, дозволяють зменшити енергоспоживання, при цьому збільшити продуктивність обладнання і термін його безперебійної роботи.

Відомо, що системи ОВК споживають до 70% енергоресурсів в промислових, великих комерційних або громадських будівлях [1, 2]. У зв'язку з цим використання найбільш ефективних енергозберігаючих засобів і методів в даній області стає надзвичайно актуальним завданням. Одним з нових напрямків в даному питанні є застосування так званих EC-двигунів, про які фахівцям ОВК відомо порівняно мало. Проте, ряд зарубіжних, а останнім часом і вітчизняних постачальників кліматичної техніки розглядають EC-двигуни як опції, доступні до практичного застосування.

Мета цієї статті - показати дійсну доцільність даного нововведення (на противагу поширеній думці, що це просто дорого, а отже, і не настільки цікаво з комерційної точки зору), визначити в загальних рисах основні області і умови затребуваності в плані забезпечення економічної і технічної ефективності досягаються результатів.

ЄС-двигун - це безколекторний синхронний двигун з вбудованим електронним управлінням, або, більш стисло, електронно-комутований (Electronically Commutated) двигун.

Його іноді також називають BLDC-двигуном (Brushless DC motor), тобто безщітковим двигуном постійного струму.

Вентилятори, побудовані на базі даного двигуна, називаються ЄС-вентиляторами.

ЄС-двигун має зовнішній ротор, в якому розташовуються сегменти з постійними магнітами. Управління обертанням ротора ЄС-двигуна здійснюється за рахунок контрольованої подачі електроенергії на обмотку статора залежно від положення ротора, яке відстежується за допомогою датчиків Холла, а також заданих параметрів регулювання, що надходять, наприклад, від зовнішніх датчиків відповідного типу у вигляді струмових (4-20 мА) або потенційних (0-10 В) сигналів. При цьому вбудований PID-регулятор дозволяє, поряд з пропорційним управлінням, встановлювати швидкість реагування двигуна на зміну керуючого сигналу в залежності від його диференціальних і інтегральних показників. ЄС-двигун в розрізі представлений на рис. 1.

Пристрій енергозберігаючого ЄС-двигуна

Принцип роботи ЄС-двигуна засновано на тому, що в полі, що створюється вбудованими в ротор постійними магнітами, здійснюється управління вектором магнітного поля шляхом зміни напрямку струму в обмотці статора. У кожен момент часу контролер обчислює та подає на обмотку статора полярність струму, яка необхідна для того, щоб забезпечити безперервне обертання ротора із заданою швидкістю.

EC-двигуни можливо підключати до постійного джерела напруги згідно параметрам або через вбудований комутаційний модуль безпосередньо до мережі змінного струму (220 В, 380 В). З використанням стандартного приладового інтерфейсу RS 485 або спеціальної шини ebm BUS забезпечена можливість управління вентилятором (або групою вентиляторів до 31 шт. У кожній) за допомогою ПК або КПК. Кількість груп вентиляторів в інтегрованій системі управління може досягати 256. Можливо також використання технології Bluetooth. Передбачена видача тривожних і аварійних сигналів, а також забезпечення моніторингу роботи системи. Система підключення ЄС-двигуна представлена ​​на рис. 2.

Області застосування ЄС-двигунів в системах ОВиК ще тільки намічаються в останні роки. Проте, в окремих додатках ЄС-двигуни вже завоювали тверді позиції, зарекомендувавши себе в позитивному ставленні по ряду ключових показників. Нижче коротко описані деякі з успішно освоєні областей застосування ЄС-двигунів.

Теплові насоси систем «повітря - вода» і «повітря - повітря», оснащені ЄС-двигунами, як основну перевагу характеризуються синхронною роботою вентиляторів, що не може бути забезпечено в повній мірі при використанні асинхронних двигунів змінного струму (AC-двигунів). Крім того, відсутність прослизання магнітного поля в ЄС-двигунах, що має місце в AC-двигунах незалежно від способу управління ними, виключає втрати енергії, властиві даному несприятливого явища. В цілому енергоспоживання і, відповідно, термін окупності теплових насосів скорочуються вдвічі [3].

Овочесховища та грибні камери оснащені ЄС-двигунами в складі програмно-технічного комплексу «Тургор АМ», характеризуються оптимальним регулюванням числа обертів і, відповідно продуктивності вентиляторів до необхідного в даний момент значення. За даними дослідної експлуатації це здійснюється більш ефективним чином в порівнянні з раніше використалися AC-двигунами, оснащеними частотним приводом і ПІД-регуляторами.

В овочесховищах це сприяє підтримці збереження і якості завантажуються овочів і коренеплодів протягом усього міжсезонного періоду. У грибних камерах досягається дворазове збільшення обсягу виробництва печериць на тих же площах. Термін окупності в обох випадках не перевищує одного року [4].

Циркулятори повітря (дестратіфікатори), що мають в своєму складі ЕС-двигуни, можливо об'єднувати в мережу з централізованим управлінням. За даними фірми Avedon Engineering, вироблені нею дестратіфікатори серії Airus, що працюють децентралізовано в складі єдиній мережі управління, дозволяють економити до 35% енергетичних витрат у порівнянні зі звичайними вентиляторами установками, що використовуються для зниження температурного градієнта по висоті приміщення при наявності істотних теплонадлишків [5].

Фенкойли виробництва фірми Trox, оснащені ЄС-двигунами, характеризуються значенням питомої споживаної потужності (Specific Fan Power, SFP), постійним у всьому діапазоні продуктивності, рівним 0,3, в порівнянні зі значенням 0,8, типовим для оснащених AC-двигунами фенкойлів. Спільно з регулюванням продуктивності в залежності від реальної потреби це дозволяє знизити середньорічне споживання енергії з 620 до 140 кВт · год [6].

Охолоджувальні прилавки, оснащення яких ЄС-двигунами вперше було ініційовано фірмою Heatcraft Refrigeration Products (HRP), виявилися настільки ефективними, що, наприклад, в США енергетична комісія штату Каліфорнія (California Energy Commission, CEC) включила використання EC-двигунів до складу обов'язкових вимог до всім розробляються вперше зразкам холодильного обладнання [7].

Модулирующие пальники, що мають у своєму складі вентилятори з EC-двигунами для нагнітання повітря, необхідного для горіння, дозволяють отримати стабільну і збалансоване полум'я, що істотно покращує умови експлуатації котельні в цілому і продовжує ресурс обладнання.

Прецизійні кондиціонери (Close Control в класифікації EUROVENT) виробництва фірми Tecnair стали оснащуватися ЄС-двигунами порівняно недавно. Це рішення пов'язане, перш за все, з необхідністю відповідати зрослим сучасним вимогам до енергоефективності встановленого обладнання. Разом з тим і інші переваги EC-технології мають високу актуальність в даних областях застосування, наприклад, Висока точність регулювання, зниження шумності, збільшення надійності і терміну служби.

Слід зазначити, що при роботі EC-двигун практично не виділяє тепла, в той час як АС-мотор має робочу температуру + 35 ... + 75 ° C, що накладає додаткову теплове навантаження на контур охолодження. При цьому EC-двигуни без додаткового перегріву забезпечують своє працездатність в широкому діапазоні температури зовнішнього середовища. За даними EBM PAPST, температура розігріву працюючого EC-двигуни на підставі проведеного тестування не перевищує +45 ° C. Максимально і мінімально допустимі температури експлуатації EC-двигателя становлять відповідно +75 і -20 ° C.

Особливо важливим для прецизійних кондиціонерів медичного призначення є та обставина, що відповідно до ГОСТ 52539-2006 [8] в лікувальних установах приміщення, що відносяться до груп 1 (високоасептіческіе операційні) і 2 (палати інтенсивної терапії), повинні безперервно забезпечуватися гарантованим підпором повітря не менше 10-15 Па, але не більше 20 Па. Зазначені значення повинні підтримуватися незалежно від мінливих обставин (відкриття дверей, робота обладнання та т. Д.). Приміщення, які відносяться до групи 5 (для інфікованих хворих), навпаки, повинні безперервно забезпечуватися гарантованим розрідженням. У першому випадку це досягається превалюванням припливу над витяжкою, а в другому - превалюванням витяжки над припливом, що забезпечується регулюванням витрат повітря за показаннями зовнішніх Пресостати, контролюючих перепад тиску між приміщеннями. Найбільш точне, безінерційною і ефективне регулювання витрат повітря досягається використанням EC двигунів в якості приводів вентиляторів, внаслідок чого вони низкою європейських стандартів (VDI3803, VDI2167 part 1, SWKI-Guideline 99-3) визначені як комплектує елемент кондиціонерів медичного призначення.

Аналогічне становище справ відповідно до ГОСТ 14644-4-2002 [9] є характерним для всіх об'єктів прецизійного кондиціонування, мають в своєму складі «чисті» приміщення і пов'язані з ними контрольовані середовища. Робота контролерів в цих випадках здійснюється за показаннями не двох, як зазвичай, датчиків (термостат і гігросат), а трьох датчиків, в число яких входить також прессостат. Останній працює в ланцюзі управління EC-двигунами.

Сухі градирні та виносні повітряні конденсатори компанії Refrion оснащуються ЄС-вентиляторами нового покоління діаметром 800, 900 і 1 000 мм.

Технічні показники ЕС-вентиляторів:

• Покращені технічні характеристики. Нові EC-вентилятори оснащені двигунами меншого розміру, але з поліпшеними технічними характеристиками, що дозволило на 5% збільшити їх потужність в порівнянні зі старою лінійкою ЕС-вентиляторів.
• Низькі шумові характеристики. Вентилятори не створюють додаткової шумового навантаження при регулюванні швидкості обертання. Рівень звукового тиску зменшується на 6дБ в порівнянні зі старими моделями.
• Безпека. Нові ЕС-вентилятори вигідно відрізняються додаткової захистом від перегріву електроніки і двигунів вентиляторів, і навіть захистом від блокування ротора, втрати фази і різких стрибків напруги, забезпечуючи безперебійну роботу як в несприятливих умовах навколишнього середовища, так і при збоях електроживлення.
• Високий моторесурс. Нові EC-вентилятори в силу розвантажені підшипникових вузлів по осьовим і радіальним зусиллям, а також завдяки вбудованій захист по електроживлення мають високий моторесурс, що становить більше 80 000 годин.
• Можливість віддаленого контролю. Нові EC-вентилятори можна комутувати з Modbus, таким чином, спростивши дистанційний контроль над експлуатаційними параметрами вентиляторів (завдяки шафі управління Intelliboard з інтегрованим PLC).

Чому ЄС?

Компактність, низьке енергоспоживання, плавне і точне регулювання, низький рівень шуму, відсутність вібрації, узгодженість із робочим колесом з аеродинаміки і потужності, а також ряд інших викладаються нижче особливостей ЄС-двигунів є причиною все більш зростаючого інтересу до них.

Перевага в габаритах обумовлено тим, що ЄС-двигуни, будучи більш компактними в порівнянні з AC-двигунами, повністю вписуються в габарити крильчаткивентилятора, забезпечуючи прямий привід, в той час як вентилятори з AC-двигунами займають значно більше місця, особливо в напрямку потоку повітря, що означає необхідність наявності кілька збільшених розмірів венткамера. Розмір вихідного отвору EC-вентилятора практично збігається з поперечними розмірами секції, в якій він розміщується. Це призводить, з одного боку, за рахунок попередньо вирівняного потоку повітря до більш ефективного використання поверхні теплообмінника, що встановлюється за вентилятором, і поліпшенню знімання з нього тепла / холоду, а з іншого боку, знижує швидкість проходження повітря усередині секції вентилятора, зменшує втрати тиску і гучність. Переваги в порівнянні з AC-двигуном, що має ремінний привід, схематично показані на малюнку.

Переваги EC-вентилятора

У ЕС-вентиляторів практично відсутні пікові пускові струмові навантаження за рахунок того, що вбудований регулятор забезпечує досить плавне наростання амплітуди змінного струму від нуля до номінального значення. У той же час пусковий струм у АС-вентиляторів зазвичай в 5-7 рази перевищує номінальний, що призводить до необхідності збільшення перерізу електропроводки і параметрів пускового обладнання, які вибираються в розрахунку на значення пускового струму.

Оскільки ротор ЄС-двигуна є зовнішнім з постійними магнітами, в ньому відсутні теплові втрати, неминучі у разі короткозамкнутого ротора асинхронного двигуна. Звідси високий ККД, що досягає 80-90%. На рис. 4 наводиться порівняння ККД двигунів різного типу, серед яких ЄС-двигун характеризується рекордними значеннями в широкому діапазоні корисної потужності на виході.

Порівняння ККД двигунів різного типу

Поряд з високим ККД, високий ступінь енергозбереження при використанні EC-двигунів в системах ОВК досягається за рахунок регулювання числа обертів. Відомі такі співвідношення між числом оборотів (n 1, n 2), витратою (L 1, L 2), втратою напору (Δ p 1, Δ p 2) і споживаної потужністю (N 1, N 2):

В силу кубічної залежності споживаної потужності від частоти обертання їх плавне і глибоке регулювання, що забезпечується EC-двигунами без перетворення частоти напруги живлення, дає відповідний значний ефект в частині зниження сумарних значень споживаної потужності, иллюстрируемое на рис. 5 шляхом порівняння EC-двигунів з AC двигунами, що використовують фазовий, амплітудне і частотне регулювання.

Співвідношення витрат і споживаної потужності вентиляторів різних типів

З експлуатаційної точки зору переваги ЄС-двигунів обумовлені тим, що обертові частини виконані як один динамічно і статично збалансований компонент, загальна вага якого рівномірно розподілений на обидві опорних підшипника, що значно впливає на термін служби виробу. Супутнім цьому обставиною є також мінімальна вібрація і шум при роботі ЄС-двигуна.

Отже, зведемо воєдино основні аргументи на користь ЄС:

• високий ККД;
• висока точність регулювання відповідно до наявних умов;
• адаптивність відповідно до зміни внутрішніх кліматичних параметрів;
• малі пускові струми;
• режим роботи з низьким рівнем шуму і мінімальною вібрацією, тривалий термін служби, не потребує обслуговування.

Навіщо ЄС?

На рис. 6 представлені за даними фірми Tecnair значення споживаної потужності EC-двигунами, опціонально поставляються в складі прецизійних кондиціонерів (Computer Room Air Conditioners, CRAC) холодопроизводительностью 35, 42, 60, 70 і 75 кВт в порівнянні зі стандартно використовуваними асинхронними двигунами змінного струму (AC- двигунами).

Порівняльна оцінка споживаної потужності EC- і AC-двигунами, використовуваними в складі CRAC

Аналогічне порівняння представлено відносно поставляються фірмою Tecnair прецизійних кондиціонерів CCU (Close Control Units), що комплектуються AC-двигунами із частотним регулюванням.

Порівняльний аналіз споживаної потужності EC- і AC-двигунами, використовуваними в складі CCU (Close Control Unit)

Зведені усереднені дані по енергозбереженню, що забезпечується використанням EC-двигунів у різних програмах, представлені в таблиці.

Очевидно, що при додатковій вартості EC- двигуна 100-200 доларів, капітальні витрати окупаються дуже швидко.

Енергозбереження при застосуванні EC-систем в різних областях

Область застосування Робоча точка Потужність Енергозбереження на
1 електричний двигун Витрата,
м3 / год Напір,
Па EC-двига-
тель,
Вт Однофазний
індукційний
двигун,
Вт Економія
енергії,
Вт Економія
в рік (при ціні
0,11 $ / кВт · год),
$ Економія
в рік (при ціні
0,14 $ / кВт · год),
$ Продуктові вітрини
в гіпермаркетах 490 20 10 36 26 25 32 Виносні конденсатори 4 900 50 145 280 135 130 166 Точкове охолодження 255 300 60 105 45 43 55 «Чисті» приміщення 950 180 95 195 100 96 120 Прецизійне
кондиціонування 1 700 400 550 680 230 220 280 Вентиляція житлових
приміщень 2 500 250 400 970 570 550 700 Вентиляція сховищ 5 600 40 109 340 231 220 280

висновки
Резюмуючи все гідності систем, придбані при використанні EC-технології, можна виділити головне: EC-вентилятори з електронним управлінням плавно реагують на зміну вимог по вихідний потужності, працюють в особливо економному режимі часткового навантаження і нечутливі до коливань напруги. EC-вентилятори забезпечують зниження до 30% витрат електричної енергії в порівнянні зі звичайними трифазними AC-вентиляторами.

Регулювання швидкості обертання вентиляторів різними технологіями

ТОВ "ІПЦ" ВЕКОТЕХ "має можливість розробити і провести для Вас будь-який вентилятор або припливну установку на базі ЄС двигунів вентиляторів пр-ва Німеччина.